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本文发展了一种计算无序体系热导的实空间Kubo方法,计算量正比于系统尺寸。该方法理论上基于Kubo的线性响应理论,数值上利用对演化算符进行Cheybyshev多项式展开和采用Lanczos三对角矩阵技术和连分数方法求态密度,有效地处理声子波包在实空间中的演化并计算声子扩散系数。声子输运平均自由程和热导进而可以通过扩散系数计算。跟基于格林函数的Landauer方法比较起来,该方法具有两个优点:第一,计算量线性正比于系统横向尺度;第二,可以同时计算所有不同频率下的这些物理量。此外,跟局域化效应有关的多散射现象可以通过扩散系数随时间的变化关系反应出来。
首先我们用该方法计算了同位素无序的碳纳米管系统的声子输运平均自由程,这些结果和Landauer方法的模拟结果以及解析结果的一致性证明了该方法的准确性。我们然后研究了宽度达到几十个纳米的具有边缘无序的石墨烯纳米带的声子输运平均自由程和热导性质。这个尺度远远超出了其他方法的所能企及的上限,这表明了该方法的有效性。边缘为Armchair形状的纳米带的输运平均自由程完全不同于边缘为Zigzag形状的纳米带。对于主导不太高温度下的热导的中间频率模,Armchair纳米带的平均自由程比Zigzag形状的纳米带的小。在宽度达到17纳米时,边缘无序仍然可以使石墨烯纳米带的热导降低达一个数量级。
最后我们研究了两种二维的石墨烯类型的结构。第一种是13C同位素无序的石墨烯。当13C杂质聚集形成团簇时,声子输运平均自由程完全不同于弹性平均自由程,这意味着在计算热导率时用弹性平均自由程近似输运平均自由程是没有意义的。第二种是氮化硼和石墨烯的混合结构,在我们的计算中畴的体积分数覆盖从0到100%的全空间,畴的直径最高达8纳米。计算结果显示声子输运平均自由程在氮化硼的体积分数达到50%时最小,跟有效介质模型所给出的结果一致。我们从理论上预言了畴尺寸对声子传播和热导率的强烈影响,在相同体积分数下,室温热导率随畴尺寸减小而降低。
该方法同样适用于三维系统以及其他的非碳基系统。