用分子动力学方法预测低维纳米材料的热导率

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低维纳米材料是纳电子器件与纳机电系统的核心,为了科学地指导这些器件和系统的热设计与热管理,获得这些材料的热导率是非常重要的。现阶段,微尺度传热理论尚不明确,实验测试针对纳米尺度研究对象十分困难。分子动力学方法在预测低维纳米材料热导率上具有独特的优势:它可以在理论和实验还没有对材料的热物性进行分析与测验时就可以进行;它可以克服实验中难以克服的实际问题,如材料的尺寸,系统的温度等;它可以大大减少人力和资金的投入。因此,本文拟采用分子动力学方法开展对低维纳米材料热导率的研究。  采用非平衡分子动力学方法,基于优化的集成势函数COMPASS力场,预测了室温下(300K)硅纳米薄膜的热导率。模拟结果表明:厚度约4-10nm的硅薄膜的热导率在3.06-7.28W/mK范围,并且随着膜厚的增加而增大,表现出明显的尺度效应。在所计算的薄膜厚度范围内,硅纳米薄膜的热导率与薄膜厚度呈现近似线性变化的关系。应用气动理论对产生的尺度效应进行了初步的理论分析,当薄膜厚度在几纳米到十几纳米时,有效声子平均自由程与膜厚有关,不再等于体材料的平均自由程。  碳纳米管是目前最具研究价值的一维纳米材料,采用分子动力学方法,预测了管长约为20-40nm的碳纳米管在温度300-900K范围内的热导率。预测结果表明:在所研究的管长及温度范围内,碳纳米管的热导率在108.81-362.47W/mK范围。在同一温度下,碳纳米管的热导率与管长有关,且随管长增加而增大,运用有限尺寸效应理论对其进行了讨论与分析。在管长相同时,碳纳米管的热导率随温度升高而降低。声子与声子之间的相互作用是影响碳纳米管的热导率的主要原因,当系统的温度越高时,声子的散射作用越强,导致热导率随着温度升高而降低。
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