二維體系熱力學(xué)及其熱輸運(yùn)的第一性原理研究.pdf

1、碳納米管和石墨烯都是碳族元素在低維體系下的重要物質(zhì)構(gòu)成，它們優(yōu)異的熱學(xué)、力學(xué)、電學(xué)等性質(zhì)引起了人們極大的興趣。自從石墨烯問世以來，與其結(jié)構(gòu)類似的二維層狀納米材料在眾多研究領(lǐng)域引起了更為廣泛的關(guān)注?，F(xiàn)在的超級(jí)電腦、服務(wù)器等在操作過程中產(chǎn)生大量熱，這些熱不僅僅對(duì)信息處理有害，而且使周圍環(huán)境溫度升高。由于微電子尺度已經(jīng)發(fā)展到納米量級(jí)，器件能否良好的運(yùn)作很大程度上取決于材料的導(dǎo)熱能力。隨著器件微型化的發(fā)展及性能的提高，電子器件的尺度已經(jīng)進(jìn)入了納

2、米尺度，對(duì)材料熱傳導(dǎo)的性能有了更高的要求。相對(duì)于宏觀體系中的熱輸運(yùn)，低維體系中熱輸運(yùn)具有的獨(dú)特的性質(zhì)，例如石墨烯材料有很高的導(dǎo)熱率、熱導(dǎo)率和體系的尺度相關(guān)等等，目前對(duì)低維體系熱性質(zhì)及熱輸運(yùn)的研究已經(jīng)成為凝聚態(tài)物理一個(gè)非常重要的領(lǐng)域。
　　此外，隨著器件微型化的發(fā)展及性能的提高，電子器件的尺度已經(jīng)進(jìn)入了納米尺度，對(duì)材料熱傳導(dǎo)的性能有了更高的要求，如何通過各種物理和化學(xué)的方法修飾低維材料，進(jìn)而調(diào)控材料的各種性質(zhì)已經(jīng)成為重要的前沿方向。

3、二維石墨烯的氧化研究對(duì)石墨烯內(nèi)部的氧化情況以及對(duì)于石墨烯材料的性質(zhì)有重要作用。
　　本論文主要的工作有:
　　1、運(yùn)用第一性原理計(jì)算方法(Gaussian)對(duì)二維體系石墨烯進(jìn)行化學(xué)結(jié)構(gòu)方面的修飾，通過引入Stone-Wales(S-W)缺陷以及添加化學(xué)取代基羥基(-OH)的情況研究二維石墨烯在不同化學(xué)結(jié)構(gòu)下材料的化學(xué)反應(yīng)速率的快慢性質(zhì)以及反應(yīng)前后內(nèi)能變化的一些關(guān)系。我們通過修飾特定尺寸二維石墨烯的結(jié)構(gòu)來改變其相關(guān)的熱力學(xué)，化

4、學(xué)方面的性質(zhì)，計(jì)算并分析不同活性位點(diǎn)結(jié)構(gòu)修飾的情況下二維石墨烯化學(xué)反應(yīng)的快慢，并進(jìn)一步添加相關(guān)的化學(xué)取代基（-OH）來進(jìn)一步改善其化學(xué)、熱力學(xué)相關(guān)的性質(zhì);
　　2、用第一性原理方法(Vasp、Phonopy、ShengBTE)研究二維體系的alpha型石墨炔的熱力學(xué)相關(guān)的性質(zhì)，通過計(jì)算石墨炔的力常數(shù)進(jìn)一步計(jì)算其熱導(dǎo)率，通過研究其熱力學(xué)方面的參數(shù)得出其熱導(dǎo)系數(shù)，分析其聲子的壽命等。通過對(duì)二維石墨炔的分析，計(jì)劃用經(jīng)典和量子的研究方法對(duì)

5、同一種材料進(jìn)行相關(guān)的研究和計(jì)算。
　　在這篇工作中，通過對(duì)二維體系不同構(gòu)型氧化石墨烯過渡態(tài)的研究我們發(fā)現(xiàn)含有S-W缺陷鍵的石墨烯可以大大提高化學(xué)氧化反應(yīng)速率，在引入S-W缺陷鍵后可以改變石墨烯平面上的電子云分布，提高化學(xué)反應(yīng)時(shí)電子轉(zhuǎn)移率;另外，研究發(fā)現(xiàn)在石墨烯平面上加入羥基取代基后也可以大幅度降低氧化反應(yīng)的過渡態(tài)能壘、提高反應(yīng)的速率。此外通過對(duì)delta型石墨炔三種雜化鍵鍵能大小的比較我們得出在化學(xué)反應(yīng)時(shí)碳碳三鍵的化學(xué)反應(yīng)過渡態(tài)能