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寻求高热导率的材料一直是微型电子机械(micro-electro-mechanicalsystem)装置设计人员的梦想。碳纳米管的发现给人们带来了新的希望。由于其圆柱面结构而导致的量子限域和σ-π再杂化,使得碳纳米管比石墨具有更高的机械强度、更优良的导热性和导电性以及更高的化学和生物活性。例如,高质量的金刚石在常温下其热导率达到3000W/mK,相比于其他材料,铜400W/mK、硅150W/mK、玻璃1.4W/mK、多聚物0.1W/mK或更低,而单壁碳纳米管在室温下热导率就达6600W/mK。但是由于金刚石制造成本高、价格不菲,限制了其广泛的应用前景,而有着更高热导率的碳管,其生产成本却低许多。
对碳纳米管热导率的测量,就像对它的其他性质的测量一样,由于合成时带来的杂质会使得测量结果有很大不确定性。而且,在用于实验研究的衬底结构中,单根的管子会相互交叠,这就使得最终关于单根管子热导率的测量值更加不可靠。虽然,那些基于分子动力学模拟技术的数值方法在纳米管热导率的计算中发挥了越来越重要的作用。但是,由分子动力学模拟的热导率彼此差别比较大。因而直接比较模拟值和实验值并不合适。而且由于碳管中声子平均自由程很长,要模拟那么长碳管中的热传输过程比较困难。近年来,热脉冲在纳米管中的传输及其中的声学振动模式得到了大量的研究。在传输过程中,热脉冲可以产生多种声学振动模式,人们可以直接观察各种声子的速度,强度等信息。另外,对不同的模型势,我们可以研究其对热脉冲在碳管中传输的影响。
我们分别采用Tersoff和BrennerⅡ模型势运用经典分子动力学模拟了热脉冲在(10,0)单壁碳纳米管中的传输。在采用BrennerⅡ势的模拟中,纵声学模、扭转模和次声模都被观察到了,并且它们的速度和强度随时间的变化与前人基于BrennerⅠ势的结果符合得很好。更高的速度和更低的波包强度出现在基于Tersoff势的模拟中。我们认为是Tersoff势模型中原子团共价键的过度键合以及非局域效应使得模拟的碳原子之间相互作用的弹性模量过大,这导致了各种声学振动模式更高的速度。