氮化硼热导率的分子动力学模拟

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氮化硼与石墨烯有着相似的晶格结构,具有独特的物理和化学性能,是一种优良的热学材料。虽然氮化硼的热导率低于石墨烯,但是却远远高于其他金属和非金属材料,由氮化硼与石墨烯相结合的热电器件受到了越来越广泛的关注。本文采用非平衡态分子动力学模拟计算了单层和多层氮化硼(BN)的热导率。单层氮化硼(SLBN)的热导率受到自身结构和多种外在因素的影响。氮化硼纳米带具有锯齿型(Z-BNNRs)和扶手椅型(A-BNNRs)两种手性,声子在前者的传播速度高于后者导致前者的热导率高于后者将近20%。受到边界散射的影响,氮化硼纳米带(BNNRs)的热导率大大低于氮化硼薄膜(h-BN)的热导率。随着温度的升高,氮化硼内部的声子群速度降低,热导率也逐渐减小。同位素掺杂的氮化硼薄膜随着掺杂浓度的增加,热导率先是减小然后增加,在掺杂浓度为50%时,热导率达到最小。随着温度的增加,不同掺杂浓度的热导率越来越接近,这是由于高温时高频声子数目增加使得声子U散射更为显著,超过了杂质散射对热导率的影响。带有晶格缺陷的氮化硼薄膜的热导率大大地降低,并且随着缺陷浓度的增加,热导率不断减小,在空穴浓度到达一定的比例后,温度对氮化硼薄膜热导率的影响几乎可以忽略不计,说明晶格缺陷引起的热导率的变化超过了温度对热导率的影响。氮化硼薄膜热导率随着热流方向尺寸的增加逐渐增大并逐渐趋于收敛,在常温下单层氮化硼薄膜面向热导率高达606Wm-1K-1。多层氮化硼(MLBN)是由单层氮化硼(SLBN)通过层间的范德华力(van der Waals forces)堆叠在一起的,其面向热导率相对于单层氮化硼并没有明显变化,当层间的相互作用力增强时,多层氮化硼的热导率下降;氮化硼的法向热导率随着层数的增加逐渐增加,其界面热阻在层数较少时不能忽略,随着层数的增加,其界面热阻值不断减小直至收敛;多层氮化硼/石墨烯堆叠结构的热导率在石墨烯和氮化硼热导率的平均值以下,说明了层间作用力起到了减小热导率的作用;氮化硼/石墨烯的超晶格结构,其法向热导率随着晶格周期长度的增加先减小后增加。其变化趋势符合波动模式的结论。
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