【摘 要】
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热输运特性一直是物理和材料研究领域中的前沿课题,尤其是对微纳材料的热输运现象的探索,更是极具研究价值和重要应用意义。对材料热输运特性的研究,有助于解决困扰着当今世界所面临的众多基础问题,比如:发现新型高效的高效散热材料帮助解决电子器件中的热聚集,设计制造更加优秀的热电设备帮助缓解能源短缺,开发新型的热流控制器件帮助优化热量调控。近年来,新型的磷纳米管类材料被成功制备。考虑到磷基材料的优异物理性能和
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热输运特性一直是物理和材料研究领域中的前沿课题,尤其是对微纳材料的热输运现象的探索,更是极具研究价值和重要应用意义。对材料热输运特性的研究,有助于解决困扰着当今世界所面临的众多基础问题,比如:发现新型高效的高效散热材料帮助解决电子器件中的热聚集,设计制造更加优秀的热电设备帮助缓解能源短缺,开发新型的热流控制器件帮助优化热量调控。近年来,新型的磷纳米管类材料被成功制备。考虑到磷基材料的优异物理性能和独特几何结构以及在微纳电子器件领域的潜在应用,我们对几类典型磷管范德瓦尔斯阵列的热输运特性展开了系统的研究。本文的研究内容有望为设计和制备基于磷纳米管的新型器件提供理论指导。论文主要包括如下的工作:1、采用第一性原理计算与玻尔兹曼输运方程结合的方法,我们对二维磷纳米管阵列（PNTA）的热输运性质进行了系统的研究。结果显示,PNTA具有较高的晶格热导率,在室温下,其平均晶格热导率接近260 W/m K,远高于黑磷烯、蓝磷烯等。更为有趣的是,PNTA表现出和其各向异性几何结构相反的各向同性热输运性质。通过比较分析影响热输运的关键因素,我们发现PNTA较弱的声子非谐性和散射强度为其带来了优异的热输运性质。而关于其异常的各向同性晶格热导率,则主要源于两个方向上相似的声子群速度以及截止频率。最后通过深入分析原子间的相互作用,我们解释了这种各向同性热输运现象出现的机理。本工作将有助于我们加深对材料各向同/异性热输运的理解,并为热管理器件的设计提供理论指导。2、我们利用第一原理计算结合玻尔兹曼输运方程研究了MP15（M=K,Na）的热输运、电子输运和热电特性。计算结果表明,MP15是一种具有高载流子迁移率的间接带隙半导体。MP15在声子输运上具有的低声子群速度,短声子弛豫时间等特点,对声子热输运起到了显著的抑制作用,导致其晶格热导率较低。在室温下,沿c轴方向晶格热导率仅为0.65～0.96 W/m K;另一方面,MP15在该方向上的电子输运系数,在n型掺杂下有着较好的性能表现。同时,由于几何结构上的各向异性,晶格热导率和电子输运系数同样在各个方向上也不尽相同。最后,通过结合热输运以及电输运系数,我们评估了MP15的热电品质因子ZT值。结果显示,MP15具有良好的热电性能,在700 K下ZT值最高可以达到2.09,是一种颇具潜力的各向异性热电材料。研究发现将推动对类似的磷纳米管阵列体系以及层状材料在热电器件中的进一步实验探索。
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