修饰型单壁碳化硅纳米管热导率的分子动力学模拟

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作为碳化硅材料中的一种,碳化硅纳米管(SiCNTs,SiC纳米管)不仅具有三代宽带隙半导体材料的耐高温、高压性,也沿袭了纳米管的六角结构。自SiCNTs问世以来,就有学者研究发现,掺杂以及空位等因素会对碳化硅纳米管的物理、化学性质造成一定的影响。由于SiCNTs高温下表现出极强的热稳定性,决定了SiCNTs光明的应用前景,SiCNTs的热导率也因此成为研究的热点。但是,由于尺寸过小、制备工艺复杂,利用实验方法测量SiCNTs热导率具有一定困难,所以本论文致力于运用非平衡分子动力学方法预测了替位、单空位、单键带断裂修饰型SiCNTs的热导率。  (1)替位修饰型SiCNTs:室温下,替位原子选择N、P原子。掺杂原子百分比在0-0.104%范围内变化,N、P替位SiCNTs的热导率变化范围分别为:74.057-82.904Wm-1K-1、70.3232-82.9040Wm-1K-1。系统温度变化范围在10-600K之间,以掺杂原子百分比为0.052038%的N、P替位SiCNTs为例,其热导率变化范围分别为:69.7460-75.8920Wm-1K-1、67.8230-75.8670Wm-1K-1。P替位修饰型SiCNTs的热导率要略小于N替位SiCNTs的热导率,掺杂原子百分比越大,热导率越小;而系统温度越高,声子热运动就越快,热导率随之变大;不同掺杂原子数占总原子数的百分比不同,声子散射概率也就不同,声子与替位原子间的散射概率增加,热导率减小。  (2)单空位、单键带断裂修饰型SiCNTs:室温下,管长为13.01-78.15 nm的两种修饰型SiCNTs热导率为:单键带断裂修饰SiCNTs为34.725-76.821Wm-1K-1、单空位修饰SiCNTs为31.668-76.602Wm-1K-1。空位、键带断裂修饰是一种静态散射因素,它会降低声子平均自由程。管长在小于声子平均自由程时,尺寸效应较为明显。在温度为10-700K时,管长为65.05nm的单空位、单键带断裂修饰型SiCNTs热导率为:单键带断裂修饰SiCNTs为67.3220-70.7460Wm-1K-1、单空位修饰SiCNTs为66.283-70.222Wm-1K-1。激发SiC纳米管内部含有高频声子,随着系统温度的升高,高频声子的阈值会降低,热导率增大。  本文的研究对人们进一步研究修饰型SiCNTs的热物性提供了有益参考。
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