【摘 要】
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因为低维材料拥有奇特的热学、力学等性质,从诞生以来就引起人们广泛的关注。随着纳米电子器件的发展,人们对材料的导热性能有了更高的要求。由于低维材料的制备成本较高和实验难度较大,分子动力学模拟方法成为研究低维材料热传导规律的主要方法和途径之一。在宏观体系中材料的热传导规律遵循傅里叶定律,然而低维材料中傅里叶定律不再适用,一维材料的热传导系数随系统尺寸幂律发散,而二维材料的发散规律存在争议。产生分歧的主
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因为低维材料拥有奇特的热学、力学等性质,从诞生以来就引起人们广泛的关注。随着纳米电子器件的发展,人们对材料的导热性能有了更高的要求。由于低维材料的制备成本较高和实验难度较大,分子动力学模拟方法成为研究低维材料热传导规律的主要方法和途径之一。在宏观体系中材料的热传导规律遵循傅里叶定律,然而低维材料中傅里叶定律不再适用,一维材料的热传导系数随系统尺寸幂律发散,而二维材料的发散规律存在争议。产生分歧的主要原因是二维材料的尺寸效应,相比于一维体系,传统方法模拟计算二维材料的热传导面临着大尺度、长时间的问题,因而提高二维材料的模拟计算效率是推动低维材料热传导研究发展迫在眉睫的工作。因为GPU拥有强大浮点计算能力和超高的存储器带宽,目前广泛使用在计算化学、计算金融、神经网络和机器学习等领域。随着GPU在高性能计算中的并行性突出表现,越来越多的学科领域应用GPU加速取得了显著的效果。然而,在研究低维材料传热导问题上,目前只存在着一维的GPU加速热传导算法,并且GPU并行加速的使用还没有普及,将GPU模拟加速应用到二维材料热传导研究领域是重要方向。在本文工作中,我们通过研究GPU加速分子动力学模拟二维热传导的算法,将GPU加速成功应用到计算二维系统的热传导规律中,解决了一些大体系低维系统中尚未解决或存有争议的问题,利用得到的结论对低维材料的导热性能调控以及低维材料各方面的工程应用进行指导。我们计算了三种不同尺寸的二维动量守恒系统,包括FPU-β、FPU-quartic和XY系统。通过对它们动力学扩散规律的计算,观察到了系统从一维到二维的维度转变过程,并且发现了二维动量守恒系统热传导随尺寸幂律发散。另外,我们还发现不同于一维系统,二维系统中的正常动量扩散行为也可以带来系统反常的能量扩散。最后计算了不同尺寸的动量不守恒(?)4系统,佐证了不管在一维还是二维情况下,动量守恒与否是系统能否表现正常热传导行为的关键因素。对低维材料在热耗散、热整流、半导体材料以及热电材料性能提升和预测等方面的应用有重要指导意义。
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