低维纳米体系热传导的模拟和计算研究

随着纳米科学与工程技术的发展，纳米尺度上的热传导问题已经成为全世界科.学家关注的焦点。尽管有了十多年的研究历史，但是纳米尺度上的热传导机制仍有很多问题不清晰。虽然在理论上发展了几种计算纳米尺度热传导的研究方法，但是各种计算方法所得的结果有不小的差异，表明对这一物理过程的认识还不足，远落后于对纳米尺度上电子输运的研究。在调控纳米体系热传导性质方面的研究更是处于起步阶段。本项目将从基本物理原理出发，结合第一性原理和分子动力学方法，探索计算纳米结构热导的可靠计算方法，研究微纳尺度热传导的基本规律，开发出一套能准确计算材料晶格热导率的程序。在此基础上，我们还将研究低维纳米体系热导性质与其结构和环境的关系。探索调控纳米材料的热传导的可能性，设计具有特殊传导性能的纳米结构。此外，我们还将进一步开拓纳米体系中电子热导的研究。

本项目针对纳米体系的特点，探索了多种计算晶格热导的计算方法，包括基于分子动力学的直接法、Muller-Plathe以及Green-kubo,正则模式分析法。也尝试了非平衡格林函数法，玻尔兹曼输运方程。尽管这些方法在原理上是一样的，对于一些模型体系（如：固体氩）也能够得到一致的结果，但是由于纳米体系尺寸常常与其声子的自由程相比拟，不同的方法对不同体系可能会有不同的结果。.本项目采用自己发展的计算方法，对一些纳米体系的基本规律进行了探索。主要在如下三个方面取得了进展。1）无序对二维体系热导的影响除，对于无序体系，热导率与声子平均参与热导的程度成线性关系， 而对于有序体系，热导率与不等价原子的数目的倒数具有线性关系。这结果有助于理解二维材料的结构与热输运之间的关系，为调控体系的热输运提供理论指导，促进热输运器件的研究。2）多层石墨带的热传导及其随层数和尺寸的依赖关系：我们明年发现，石墨带热导率对于层数有着明显的依赖关系，随着石墨带层数的增加热导率逐渐减少并趋于一个稳定值。通过进一步地分析我们发现，不同层石墨带上垂直于热传导平面方向的声子模式通过层与层之间的耦合导致了多层石墨带体系相比于单层石墨带热导率的下降。这项研究对于阐明和理解纳米体系与宏观体系大相径庭的热传导行为有着非常重要的帮助，并且为通过调控石墨带等纳米材料的热导率提供了理论基础。3）石墨烯中非对称晶界导致新奇的热整流效应：我们发现非对称晶界同样有着很高的卡皮查边界热导率，并且该热导率随着温度的上升而上升。 在含有非对称晶界的石墨烯中发现了一种新奇的热整流效应。该效应与石墨烯的平均温度以及石墨烯两端的温度差均有着强烈的依赖关系。通过调节石墨烯的温度分布，这种新发现的热整流效应强度能够与之前已经提出的传统热整流效应的强度不相上下。这是第一次在纳米材料的晶界中发现热整流的现象存在。这项研究对未来的热整流器件的研究提供了一种新的思路，并且给含有非对称晶界的多晶石墨烯指出了一个新的潜在应用领域。在JACS、Nano Lett等期刊上发表论文10余篇。