碳纳米管-石墨烯纳米带过渡连接处的力学稳定性与热传导性质研究

任何的非平面连接,材料连接处的材料失配都能导致材料局部或整体性质的改变.本文以纵向拉开的碳纳米管(CNT)为研究对象,采用非平衡态分子动力学(NEMD)的模拟方法,通过改变CNT纵向拉开的剧烈程度,即CNT向石墨烯纳米带(GNR)过渡转变的开角大小,研究其力学稳定性和热传导性质的变化.结果表明,CNT到GNR的过渡越剧烈,连接处的开角越大,其局部热导率越高,单位长度的热阻越小;对于不同管径的CNT来说,连接处的最大开角恒定不变,为16.3°.     

石墨烯的声子热学性质研究

声子是石墨烯导热过程中的主要载体,而声子的弛豫时间又是其中最基本、最重要的物理量.本文采用简正模式分解法研究了石墨烯声子的弛豫时间,并且借此分析了不同声子在导热过程中的贡献.该方法通过平衡分子动力学模拟实现,首先通过模拟得到单个声子的能量自相关函数衰减曲线,并进一步采用拟合和积分两种方法得到单个声子的弛豫时间.然后,研究了弛豫时间与波矢、频率和温度的关系.结果发现,弛豫时间随波矢的变化与对应的色散关系相近,弛豫时间与频率和温度的关系符合理论模型:1/τ=νnTm,其中声学支的n为1.56,而光学支结果较为发散,指数m对于不同声子支结果略有不同.最后,还研究了不同频率声子对导热的贡献,发现低频声子在态密度上占有绝对优势,并且其弛豫时间整体高于高频声子,所以低频声子对导热的贡献占据主导地位.     

棱形石墨烯纳米孔道内离子传输性能的分子动力学模拟

纳米通道的尺寸、结构和表面化学对其内部溶液的分布结构和输运性质有着重大影响.本文研究了一种全新的菱形石墨烯纳米通道.这种理想的通道与最近被广泛研究的金属有机框架材料(MOF)的内部结构类似,有着与传统的碳纳米管截然不同的内部结构.本文使用分子动力学模拟的方法研究在不同尺寸的菱形石墨烯纳米通道内的KCl溶液的性质,并将其与同尺寸的单壁碳纳米管进行了比较.研究结果表明在小孔道内(<20?)其内部的溶液结构呈现若干个密度极高的聚集区域,即出现了结晶化的趋势．这一研究结果,将为MOF的结构设计提供思路,从而有望实现类似于生物离子通道的高选择性和高传输能力.     

界面铁掺杂锯齿形石墨烯纳米带的自旋输运性能

基于密度泛函理论第一原理系统研究了界面铁掺杂锯齿(zigzag)形石墨烯纳米带的自旋输运性能, 首先考虑了宽度为4的锯齿(zigzag)形石墨烯纳米带, 构件了4个纳米器件模型, 对应于中心散射区的长度分别为N=4, 6, 8和10个石墨烯单胞的长度, 铁掺杂在中心区和电极的界面. 发现在铁磁(FM)态, 四个器件的β自旋的电流远大于α自旋的电流, 产生了自旋过滤现象; 而界面铁掺杂的反铁磁态模型, 两种电流自旋都很小, 无法产生自旋过滤现象; 进一步考虑电极的反自旋构型, 器件电流显示出明显的自旋过滤效应. 探讨了带宽分别为5和6的纳米器件的自旋输运性能, 中心散射区的长度为N=6个石墨烯单胞的长度, FM 态下器件两种自旋方向的电流值也存在较大的差异, β自旋的电流远大于α自旋电流. 这些结果表明: 界面铁掺杂能有效调控锯齿形石墨烯纳米带的自旋电子, 对于设计和发展高极化自旋过滤器件有重要意义.     

螺旋纳米带中的声子输运

运用微分几何方法及形式散射理论,研究螺旋纳米带中的标量声子输运问题,计算了声子透射系数及热导率.数值结果表明,弯曲导致了声子模式之间的量子干涉,使总透射系数随能量变化的量子化台阶呈现振荡行为,有效地抑制了热导率. 关键词： 螺旋纳米带 声子输运 形式散射理论 微分几何方法     

应变石墨烯纳米带谐振特性的分子动力学研究

从动势能转换与守恒原理出发,在微正则(NVE)系综下,采用COMPASS力场对石墨烯纳米带及其应变传感器的谐振特性进行了分子动力学模拟.研究发现,非线性响应主导了石墨烯纳米带的动态行为,而其超高的基波频率则与长度和边界条件密切相关;单轴拉伸应变对石墨烯纳米带基波频率的影响显著且强烈依赖于边界条件,四边固支型应变石墨烯纳米带具有更高的频移,其灵敏度可高达7800 Hz/nanostrain,远大于相同长度碳纳米管应变传感器的灵敏度;石墨烯纳米带及其应变传感器的谐振特性均与手性无关.本文所得结果表明,由于超低 关键词： 石墨烯纳米带 分子动力学 应变 基波频率     

纳米微结构表面与石墨烯薄膜的界面黏附特性研究

石墨烯性能的发挥受石墨烯表面形貌的影响,而石墨烯表面形貌则与基底密切相关.石墨烯在纳米微结构表面的吸附与剥离可以为石墨烯的功能化制备和转移提供理论基础.分子动力学模拟能提供石墨烯在纳米微结构表面的吸附构型和剥离特性等详细信息,可以弥补实验的不足.本文利用LAMMPS分子动力学模拟软件,从吸附能角度研究了石墨烯在矩形微结构表面的黏附特性,并进一步探讨了石墨烯从矩形微结构表面剥离的行为.研究表明:石墨烯的吸附构型在矩形微结构表面的转变是连续的,但由部分贴合状态向完全贴合状态的转变是一个反复的过程,当石墨烯完全贴合微结构表面时吸附能最大;从微结构表面剥离石墨烯时,剥离力会出现周期性的波动.剥离过程表现为两种形式:完全贴合时,石墨烯是直接滑过槽底;而当悬浮构型或部分贴合构型时,石墨烯是直接从微结构表面分离.本文给出了平均剥离力随微结构尺寸参数变化的理论公式,该公式与模拟结果拟合较好.此外,随着剥离角度的变大,平均剥离力先变大后变小,从平整基底表面剥离具有Stone-Wales缺陷结构的石墨烯会使剥离力变大.研究结果可为探究石墨烯在纳米微结构表面的剥离行为、揭示其黏附机理提供理论参考.     

不同硼掺杂几何形态下石墨烯纳米带热导率与热整流的分子动力学研究

通过非平衡态分子动力学方法,研究了锯齿形石墨烯纳米带中掺杂原子硼的两种不同位置排列（三角形硼掺杂和平行硼掺杂）对热导率和热整流的影响并从理论上分析了其变化的原因。研究表明这两种硼掺杂模型在不同温度下导致石墨烯纳米带热导率大约54%-63%的下降;同时发现平行硼掺杂结构对热传递的抑制作用强于三角形硼掺杂结构;硼掺杂结构降低热导率的作用随着温度的升高逐渐减小;三角形硼掺杂结构两个方向上的热导率值具有较大差异,这种结构下的热整流随着温度的上升呈现减弱的趋势;而平行硼掺杂结构两个方向上的热导率值近乎相等,热整流现象表现不明显.     

不同硼掺杂几何形态下石墨烯纳米带热导率与热整流的分子动力学研究

通过非平衡态分子动力学方法,研究了锯齿形石墨烯纳米带中掺杂原子硼的两种不同位置排列（三角形硼掺杂和平行硼掺杂）对热导率和热整流的影响并从理论上分析了其变化的原因。研究表明这两种硼掺杂模型在不同温度下导致石墨烯纳米带热导率大约54％－63％的下降;同时发现平行硼掺杂结构对热传递的抑制作用强于三角形硼掺杂结构;硼掺杂结构降低热导率的作用随着温度的升高逐渐减小;三角形硼掺杂结构两个方向上的热导率值具有较大差异,这种结构下的热整流随着温度的上升呈现减弱的趋势;而平行硼掺杂结构两个方向上的热导率值近乎相等,热整流现象表现不明显。     

石墨烯纳米网电导特性的能带机理：第一原理计算

通过第一原理电子结构计算来研究有序多孔纳米网的电导特性变化的能带机理.能带结构分析结果表明:石墨烯纳米网超晶格(3m,3n)(m和n为整数)的电子本征态在布里渊区中心点发生四重简并;碳空位孔洞规则排列形成的石墨烯纳米网具有由简并态分裂形成的宽度可调带隙,无论石墨烯的两个子晶格是否对等.在具有磁性网孔阵列的石墨烯纳米网中,反铁磁耦合使对称子晶格的反演对称性增加了一项量子限制条件,导致能带结构在K点的二重简并态分裂成带隙.通过控制网孔密度能够有效调节石墨烯纳米网的带隙宽度,为实现新一代石墨烯纳米电子器件提供了理论依据.     

石墨烯纳米带卷曲效应对其电子特性的影响

石墨烯纳米带 (GNRs) 是一种重要的纳米材料, 碳纳米管可看作是GNRs卷曲而成的无缝圆筒. 利用基于密度泛函理论的第一性原理方法, 系统研究了GNRs卷曲变形到不同几何构型时, 其电子特性, 包括能带结构 (特别是带隙) 、态密度、透射谱的变化规律. 结果表明: 无论是锯齿型GNRs (ZGNRs) 或扶手椅型GNRs (AGNRs), 在其卷曲成管之前, 其电子特性对卷曲形变均不敏感, 这意味着GNRs的电子结构及输运特性有较强地抵抗卷曲变形的能力. 当GNRs 卷曲成管后, ZGNRs和AGNRs表现出完全不同的性质, ZGNRs几乎保持金属性不变或变为准金属; 但AGNRs的电子特性有较大的变化, 出现不同带隙半导体、准金属之间的转变, 这也许密切关系到碳纳米管管口周长方向上的周期性边界条件及量子禁锢的改变. 这些研究对于了解GNRs电子特性的卷曲效应、以及GNRs与碳纳米管电子特性的关系 (结构与特性的关系) 有重要意义. 关键词： 石墨烯纳米带 卷曲效应 电子特性 密度泛函理论     

含氮-空位缺陷锯齿状石墨烯纳米条带中负微分电阻和自旋过滤效应

采用第一性原理和非平衡格林函数方法,系统研究了含氮空位缺陷锯齿状石墨烯纳米条带的自旋极化输运特性．理论计算结果表明边界非对称的这类石墨纳米条带的基态具有铁磁性,由其构建的分子结中负微分电阻效应具有鲁棒性,是电极局域的态密度及依赖偏压的散射区-电极耦合作用结果．此外,在特定偏压区域还观察到几乎完美的自旋过滤效应．     

基于量子修正的石墨烯纳米带热导率分子动力学表征方法

本文提出了基于量子修正的非平衡态分子动力学模型,可用于石墨烯纳米带热导率的表征.利用该模型对不同温度下,不同手性及宽度的石墨烯纳米带热导率进行了研究,结果发现:相较于经典分子动力学模型给出的热导率随温度升高而单调下降的结论,在低于Debye温度的情况下,量子修正模型的计算结果出现了反常现象.本文研究还发现,石墨烯纳米带的热导率呈现出明显的边缘效应及尺度效应:锯齿型石墨烯纳米带的热导率明显高于扶手椅型石墨烯纳米带;全温段的热导率及热导率在低温段随温度变化的斜率均随宽度的增加而增大.最后,文章用Boltzmann声子散射理论对低温段的温度效应及尺度效应进行了阐释,其理论分析结果说明文章所建模型适合在全温段范围内对不同宽度和不同手性的热导率进行精确计算,可为石墨烯纳米带在传热散热领域的应用提供理论计算和分析依据.     

三角形石墨烯纳米片电子和磁学性质的尺寸效应

基于密度泛函理论, 本文研究了氢钝化锯齿形边缘三角形石墨烯纳米片的电子结构和磁学性质, 这种石墨烯纳米结构的基态表现出强烈的磁性边缘态和量子尺寸效应。 我们应用多种交换关联泛函, 对体系的自旋密度和电子结构进行了第一性原理计算和理论分析, 结果表明三角形石墨烯纳米片的总磁矩和自旋随尺寸线性变化,平均磁矩随着尺寸变大而增加, 并逐渐趋于一个定值。 与此同时, 体系的能隙随着尺寸增加而减小, 其中自旋不变能隙的调控对光学响应和光子激发有着重要意义。 计算得到的单电子能谱表明, 费米能级的简并度与体系尺寸成正比。 应用多种交换关联泛函的计算结果表明, 三角形石墨烯纳米片具有可调控的自旋和能隙, 为其在纳米级光电器件和磁性半导体的应用方面提供了理论依据.     

边缘重构对锯齿型石墨烯纳米带电子输运的影响

实验研究表明石墨烯纳米带中广泛地存在边缘结构重构且稳定的边缘缺陷结构.本文采用第一性原理的计算方法研究了锯齿型石墨烯纳米带中边缘结构重构形成的两种不同缺陷结构对材料电子输运性能的影响.研究发现两种缺陷边缘结构对稳定纳米尺度位型结构和电子能带结构具有显著影响,它使得费米能级发生移动并引起了共振背散射.两种边缘缺陷重构均抑制了费米能级附近电子输运特性并导致不同区域的电子完全共振背散射,电导的抑制不仅与边缘缺陷结构的大小有关,它更取决于边缘缺陷重构位型引起的缺陷态的具体分布和电子能带的移动.     

双重干涉效应薄膜光学热光调制器的研究

对双重干涉效应反射式薄膜光学热光调制器进行了研究，基于双重干涉效应的分析方法，就相关参数对器件调制特性的影响进行了理论分析，并在实验上进行了有关测试，实际器件获得了高达９２％的调制深度。     

孔洞缺陷对二维石墨烯/氮化硼横向异质结热传导的调控

本文采用孔洞缺陷来实现对二维石墨烯/氮化硼横向异质结热导率的调控.平衡态分子动力学(EMD)计算结果表明,界面孔洞的引入会降低二维石墨烯/氮化硼横向异质结的热导率.相较于有序的孔洞分布,无序的孔洞分布能够更有效地降低异质结的热导率,这一现象可通过声子安德森局域化来解释.孔洞缺陷的存在导致声子的频率和波失发生变化,从而使声子散射变得更加频繁,孔洞随机分布时,则导致声子波在材料中发生多次反射和散射,最终形成局域振动模式.本研究揭示了孔洞缺陷降低二维石墨烯/氮化硼横向异质结热导率的物理机制,对二维热电材料的结构设计有一定的指导意义.     

纳米SiO2材料声子热输运的格子玻尔兹曼法模拟

根据德拜物理模型,采用格子玻尔兹曼方法（LBM）对纳米二氧化硅薄膜内的声子热输运特性进行了模拟分析,得到了薄膜内的温度响应特性;在此基础上,分析了其法向有效导热系数。计算结果表明,当努森数大于0．01时,薄膜边界处出现温度跳跃,呈现出明显的微纳米尺度传热特性;当薄膜厚度小于20nm时,减小厚度可使其有效导热系数迅速降低...     

考虑基底热传导的石墨烯薄膜热声理论

主要基于热声效应对石墨烯薄膜发声进行理论研究。首先建立了石墨烯薄膜耦合热振动模型,推导出了石墨烯薄膜发声器的声压表达式。在此基础上,进行了不同基底石墨烯薄膜发声器的声压测试,并将测试值与理论计算结果对比,二者随频率变化趋势基本吻合,测试值略低于理论值,验证了推导出的声压表达式的正确性。研究表明石墨烯薄膜发声器有很宽的频域响应,在低频段声压级随频率增大而增大,在高频段响应平稳,具有作为优秀的热致发声器的潜力。基底材料蓄热系数越小,石墨烯薄膜的声压值越大;声压级随薄膜热容量的增大而减小。研究结果对于石墨烯的发声机制探索及其在扬声器设计等方面的应用具有指导意义。