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高健同学在《ECS Journal of Solid State Science and Technology》发表论文

发布日期:2020-08-20

近年来,华北电力大学工程热物理研究中心王晓东教授与清华大学航天航空学院曹炳阳教授保持密切合作关系,开展了奇异石墨烯结构声子传递机理的一系列研究。近日,工程热物理研究中心硕士研究生高健同学在此基础上研究了折叠石墨烯导热特性和声子传递机理,揭示了声子-折叠散射在石墨烯弯折处对声子传递影响机理。浙江工业大学能源与动力工程研究所斯超老师(工程热物理中心毕业博士)参与了本研究。研究成果发表在美国电化学协会主办的ECS Journal of Solid State Science and Technology期刊,论文标题为Molecular Dynamics Investigation on Thermal Conductivity and Phonon Transmission of Folded Graphene,论文第一作者为高健同学,第三作者为杨燕茹老师,第四作者为曹炳阳教授王晓东教授斯超老师为共同通讯作者。

在完美的石墨烯六边形碳结构中,声子传递遵循声子马西森定律,可以采用普适的二维结构模式分解法对石墨烯结构进行理论解析,得到声子在结构中各项传递性质。然而在真实世界中并不存在完美石墨烯,缺陷、外应力、形状奇异、晶界等诸多因素影响了声子在石墨烯中传递性质。折叠石墨烯是一种常见的形状奇异石墨烯,广泛应用于石墨烯基阻尼器件。其折叠处由于声子模式错配,引入了一个非常强的声子-折叠散射。本研究揭示了声子-折叠散射对声子传递性质的影响。


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【摘要】

  本研究采用分子动力学模拟方法研究了石墨烯折叠对其导热性能的影响,从声子层面为石墨烯热阻尼器设计提供了理论支持。本研究采用二维结构模式分解法解析了折叠石墨烯,发现石墨烯被折叠后TA支声子热导率显著降低,从而使折叠石墨烯热导率降低到了折叠前的64.42%。进一步分析表明,TA支声子弛豫时间从折叠前的7.57 ps下降到了折叠后的4.27 ps,引起了石墨烯折叠后声子传导性能下降。从声子传递过程来看,折叠过程对其影响机理包含了应力扭曲和声子模式错配两个因素。经定量分析,折叠引起的应力扭曲对TA支声子传导的影响可以忽略不计,而声子模式错配是导致TA支声子弛豫时间大幅度降低的主要原因。


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(图为本研究涉及的折叠石墨烯形态)


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(图为折叠前后声子色散关系对比。图(a)为折叠后,图(b)为折叠前。从中可定量分析各声子支群速度、弛豫时间在折叠前后变化情况)

  本研究得到了国家自然科学基金重点项目(51936004)、国家杰出青年科学基金(51525602)、国家自然科学基金创新研究群体科学基金(51821004)的资助。



撰稿人:斯超