“十三五”优先发展领域

国家自然科学基金委工程与材料学部  “十三五”优先发展领域  低维碳材料：
主要研究方向：低维碳材料的结构特征及其新物性的物理起因；低维碳材料中电子、光子、声子等的运动规律和机制；低维碳材料的可控制备原理与规模化制备方法；低维碳材料的新物性、新效应、新原理器件和新应用探索。
低维碳材料的结构特征
低维碳材料界面热输运分子动力学研究
苑昆鹏
【摘要】：随着制造工艺的发展,电子器件的特征长度正迅速接近或达到纳米量级。由于纳米接触形成的界面热阻随着器件的日益微型化而成为电子系统热设计研究的瓶颈。低维碳材料,尤其是具有极佳的电学和热学物理性质的一维碳纳米管和二维石墨烯,在电子系统中具有不可估量的应用潜力。因此,本论文采用经典分子动力学方法研究了碳纳米管和石墨烯两种低维碳材料的界面热输运问题。对于碳纳米管垂直硅基体结构,随着温度的升高以及碳纳米管长度的增加,界面热导逐渐增大。减弱碳纳米管共价键强度、增加碳纳米管层数和嵌入长度能够增大近界面处声子谱的匹配程度以及界面共价键数目,提高界面传热效率。而界面热导会随着基体近界面处杂质原子的掺杂比例和层数的增加而减小。对于碳纳米管平行石墨烯结构,界面热导随温度和界面范德瓦尔斯力强度的增大而单调增加,界面处引入分子桥会使界面热导提高一个数量级。拉应力会增大无分子桥界面的界面热阻,而对有分子桥的界面的界面热阻无影响;声子态密度分析显示,拉应力增大了石墨烯中sp~3杂化碳原子和分子桥声子谱的匹配程度,弥补了sp~2杂化碳原子声子谱红移引起的晶格振动失配。分析了硅原子功能化石墨烯纳米带的热整流效应。研究发现,由功能化区域向非功能化区域的热流大于反方向的热流。热整流效应可以通过硅原子浓度和分布方式调控。适中的硅原子浓度和有序分布有助于获得更高的整流系数。热整流系数还与系统两端温差和平均温度有关。随着系统尺寸的增加,石墨烯纳米带内部声子输运由弹道输运模式向扩散输运模式转变,热整流效应逐渐减弱。而声子态密度分析表明,不同热流方向下界面两侧声子谱重叠特性的差异是导致热整流效应的根本原因。
低维碳纳米材料和冰纳米管的结构与物性的数值模拟研究
常旭
【摘要】：随着人们对微观世界认识的深入,纳米科技作为一种新兴的科学得到了长足的发展,在此过程中,多种纳米材料被人们发现。由于维度上的限制,纳米材料通常表现出与宏观材料迥然不同的物理和化学性质,使其有着潜在的实际利用价值,引起了人们广泛的关注。 本论文在第一章首先简要介绍了纳米科技的发展情况,接着介绍了石墨烯以及碳纳米管的理论研究和实验结果,最后对碳纳米管约束下的水的行为做了简要的概括。 在第二章,重点介绍了经典分子动力学方法。首先简要介绍了经典分子动力学的基本原理；然后针对分子动力学方法中的几个要素做了详细的介绍,包括势函数、边界条件、动力学积分方法、初始条件、模拟系综以及物理学量的统计。 第三章主要讨论了含有双空位的碳纳米管的振动性质以及拉曼谱探测。首先运用Brenner经验势计算了碳原子间力常数和具体的振动模式,在此基础上利用经验键极化模型计算了含有双空位的碳管的非共振拉曼谱。结果表明,双空位存在时,碳管的管径发生了变化,它与碳管的螺旋性以及双空位的类型及浓度有很大关系。尤为重要的是,双空位造成的局域模式的频率位于完整碳管的G带之外,这种特征峰的位置也和碳管的螺旋性以及双空位的类型有关,因此在实验上可以用来探测碳管中不同类型的双空位。 在第四章中,我们运用经典分子动力学方法,研究了AA和AB堆积方式的双层石墨片在不同温度下的热起伏,并且和单层石墨片的情况作了对比。我们发现：室温下,在AA和AB两种堆积方式的石墨片中都存在着特征尺寸大约为100A的热起伏,该尺寸会随着温度的升高而增大。相同温度时,这两种堆积方式下双层石墨片的层内起伏高度关联函数都遵从幂指数标度行为；在低温时,AB堆积的双层石墨片的起伏高度大于AA情况,而在高温时,它们的起伏高度是相同的。最后,单层石墨片的起伏高度要大于双层的,这归因于层间相互作用抑制了原子Z方向的起伏。 在第五章中,我们主要利用经典分子动力学方法,研究了碳管约束下冰纳米管的生长情况以及形变对冰管铁电性的影响。本章分为两个部分,在第一部分中,我们模拟了不同压强下,受碳管约束的双层冰纳米管的生长情况。模拟结果表明：双层冰管的构型与外加碳管的管径以及轴向压强有很大关系。在较大管径的碳管中,当压强不太高时,水分子倾向于形成侧面是四边形格子的双层冰管,类似于两个单层冰管嵌套而成的结构；在高压下,则形成准双层冰管,即双层冰管的中心还包含一条水分子链,并且双层冰管的侧面是三角形格子结构。对于小管径的碳管,我们主要考查了高压的情况,此时形成了双层螺旋冰管,侧面也呈现三角形格子结构。此外,在我们得到的双层冰管结构中,内外层冰管之间有氢键连接,其中内层冰管满足“冰规则”,外层冰管只是部分满足“冰规则”。 在第五章的第二部分中,我们以5,0单层冰管为例,研究了在不同的轴向拉伸和压缩形变下,含奇数条水分子链的单层冰管铁电性的变化情况。结果显示,拉伸形变下冰管铁电性减弱,压缩形变下冰管铁电性增强。对压电系数的计算表明,5,0单层冰管的压电性要优于直径相当的钛酸钡纳米线,因此,为冰纳米管作为一种新型纳米压电材料的可能性提供了理论判据。