金刚石薄膜热导率的分子动力学模拟

采用非平衡分子动力学法(NEMD),利用Tersoff势能函数,通过固定边界模型和常热流法,模拟了金刚石薄膜的微尺度导热过程.根据薄膜内的温度梯度和通过薄膜的热流,采用Fourier定律计算某一给定状态下的薄膜热导率.计算结果表明:厚度在2~8 nm,温度在400 K状态下,金刚石薄膜的热导率与厚度成近似线性变化;薄膜厚度和热流一定,温度400~1 200 K时,金刚石薄膜的热导率随温度的升高,温度增至1200 K时热导率趋近于一个常数.     

单晶碳和锗薄膜热导率的分子动力学模拟

采用非平衡分子动力学(NEMD)方法分别模拟碳和锗纳米薄膜的法向热导率.模拟结果表明:厚度为2~5nm的碳晶体薄膜在温度为300~500 K的法向热导率显著小于对应的大体积晶体的实验值,并随薄膜厚度的增加而增加,法向热导率与薄膜厚度呈近似线性关系;厚度为2.8175~11.27nm的单晶锗纳米薄膜在温度为300~500 K时的法向热导也存在明显的尺寸效应,薄膜的热导率与其厚度呈近似线性关系,并且随着薄膜厚度的增加而增加.     

纳米Zr-Ti-Al复合氧化物杂化PI薄膜的耐电晕性

采用微乳化-热液法制备了一系列不同比例Zr-Ti改性的纳米氧化铝分散液,用原位聚合法分别制备了无机纳米杂化聚酰亚胺复合薄膜,研究不同的Zr-Ti比例对杂化薄膜的耐电晕性、电导电流及电老化阈值的影响.结果表明:复合薄膜的耐电晕性有明显提高,当Zr:Ti=2:3时,耐电晕寿命达到最大;电老化阈值随Ti含量的增加呈现先增大后减小的趋势.当Zr:Ti=3:2时,电老化阈值达到最大.     

温度与尺寸效应对冷却辐射膜热学性能的影响

冷却辐射膜是一种零能耗、零排放的辐射制冷薄膜,但尺寸效应和温度对其传热性能的影响机理尚不明晰。在动力学理论的基础上,采用数值计算方法提出金属平均自由程的计算公式,并通过引入温度变量改进宏观热输运模型;基于不可逆热力学计算微观热导率,对比分析修正后的宏观热导率,并利用玻尔兹曼声子散射理论阐释温度与尺度效应对热导率的影响机理。结果表明：宏观、微观状态下薄膜热导率随温度的变化趋势是相反的;随着温度的升高,微观热导率增大,出现明显尺寸效应的临界尺寸减小;当温度为40 K时,其临界尺寸约为50μm,而当温度为300 K时,其临界尺寸约为1μm,因此适当调控微纳结构尺寸和环境温度可以有效地提升冷却辐射膜的热学性能。     

单晶硅薄膜法向热导率的分子动力学模拟

结合卫星"微型核"的特点,用分子动力学模拟的方法研究了硅晶体的热导率与其厚度的依变关系.采用Tersoff势能函数,用非平衡分子动力学方法(NEMD)研究了温度为400 K和500 K,厚度为2.715~10.86 nm的单晶硅薄膜的热导率.模拟结果表明:在温度为400 K和500 K时,薄膜热导率的计算值均随厚度的增加而增加,并显著小于体硅的实验值,在模拟范围内法向热导率与薄膜厚度呈近视线性关系.模拟结果表现出明显的尺寸效应.厚度为2.715 nm和8.145 nm的单晶硅薄膜的热导率随着温度的升高反而下降,且厚度越大,下降趋势越明显.     

纳米颗粒添加对熔融盐传热特性的影响

熔融盐由于其蒸汽压力低、工作温度高、热稳定性良好等特点,在集中式太阳能热发电系统中作为传热和蓄热工质应用较多.但熔融盐热导率较低,导致发电系统效率降低、能耗增加,发电系统成本升高.向熔融盐中加入纳米颗粒形成熔盐基纳米流体是能够改善熔盐热物性,文章以添加SiO2纳米颗粒的Hitec盐基纳米流体为研究对象,利用平衡分子动力学方法模拟计算热导率,从多角度分析以揭示物理机理.结果表明纳米颗粒质量分数为2％、4％和6％时,纳米流体热导率分别提高了5.75％、6.47％和0.05％.扩散系数结果表明,纳米颗粒添加不会强化基液微对流.分析径向分布函数发现,纳米颗粒添加导致了Na原子和NO3-中N原子间的配位数增加,粒子间作用力增强,引发纳米流体热导率提升.此外,随着温度升高,熔盐纳米流体热导率减小;颗粒质量分数/粒径变大,热导率出现非单调变化.     

热流对超晶格结构热传导影响的分子动力学研究

超晶格材料的传热性能对其在热电设备、微电子以及光电子等领域的应用起决定性作用。本文采用非平衡态分子动力学方法研究了热流对超晶格结构热导率的影响。利用Tersoff势函数描述超晶格结构中Si粒子与Ge粒子的相互作用,建立了Si/Ge超晶格结构的稳态导热模型。通过分析热流方向上系统内部的温度分布,得出超晶格结构所施加热流的大小和方向都对热导率产生重大影响。研究结果表明:超晶格结构热导率随热流的增大而增大,并且当热流及温度升高到一定程度,超晶格结构可能会发生非傅里叶热传导现象;热流由Si薄膜流向Ge薄膜时超晶格结构热导率大于由Ge薄膜流向Si薄膜时的热导率。     

界面层强化纳米流体热导率特性分析

受分子间作用力的影响,纳米颗粒表面附近的液体分子排列比较紧密,形成界面层。为了深入研究界面层对纳米流体热导率的影响,对比分析了考虑界面层效应的纳米流体热导率模型,讨论了界面层热导率、界面层厚度以及纳米颗粒尺寸对纳米流体热导率的影响。研究结果表明,界面层能够提高纳米流体的热导率,并且界面层热导率与厚度是影响纳米流体热导率的重要因素,尤其当纳米颗粒体积分数较高,纳米颗粒尺寸较小时,2种因素的影响更加明显。此外,受界面层厚度的影响,界面层热导率对纳米流体热导率的影响程度随着界面层厚度的增加而升高。     

纳米薄膜受超快激光作用下二维传热数值模拟

超快激光技术因其高精度、高强度等优点得以在微/纳米器件中广泛应用。超快激光加热纳米薄膜问题涉及的是极小尺寸、极短时间作用下的导热过程,此时经典的导热理论不再适用,因此研究该问题的导热机理具有重要的理论意义。文章采用格子玻尔兹曼方法,对不同情况下超快激光加热微/纳米薄膜的二维热传导过程进行了数值模拟。结果表明：当单侧超快激光照射纳米薄膜时,在厚度方向的传播速度大于径向方向的,随着时间的推移,激光热源的影响区域越来越大,能量密度的峰值逐渐减小;当两束超快激光分别在薄膜两侧同时照射时,能量的影响会从两侧向中间传递,而当两侧的能量碰撞时,会在中间区域产生交汇,形成更高的能量密度;当两束超快激光同时照射在薄膜同一侧时,薄膜内受两束激光共同影响的区域,由于能量交汇会产生较高的能量密度。     

纳米金刚石粉末电化学性能及其表面修饰的研究进展

对导电金刚石电极的研究,过去主要集中在化学气相沉积（CVD）制备的含硼金刚石薄膜电极领域。近来有研究表明当金刚石薄膜晶粒尺寸达到纳米级时,无需掺杂硼,金刚石也表现出一定的电导率。本课题组研究发现非掺杂的纳米金刚石粉末在水溶液中也表现出了一系列的电化学活性。本文介绍了非掺杂纳米金刚石的电化学性能及其对亚硝酸根离子的催化氧化行为,另外还介绍了对纳米金刚石进行表面修饰以提高其电化学活性,增加它在电化学领域的应用范围等方面的研究进展。     

LiTaO3薄膜红外探测器热分析

利用有限元软件ANSYS对LiTaO3薄膜热释电红外探测器进行热分析;研究了敏感元绝热层的厚度与热导率以及基底的厚度及材料对热分析结果的影响;提出了优化方案,并给出优化前后仿真的对比结果。分析结果表明,探测器的热响应随绝热层的厚度增加而增加,随绝热层的热导率降低而增加。在硅、镍、蓝宝石三种基底材料中,使用蓝宝石的探测器的热响应效果最佳。在绝热层厚度为2 μm的情况下,基底的厚度对探测器响应的影响可以忽略。实验测试结果证实了优化模型的有效性。     

基于C-mount封装的半导体激光器热特性模拟分析

通过对半导体激光器热特性以及散热方式的理论分析,建立了C-mount封装半导体激光器的物理散热模型,针对其在稳态工作条件下的热特性,利用ANSYS有限元软件进行了模拟分析,对ANSYS自建模与外部导入两种建模方式进行分析,发现自建模方式更加精确。通过改变C-mount热沉的厚度,得到了芯片温度的变化规律,并从热流的角度进行分析。最后,通过引入导热性能良好的金刚石膜与石墨烯膜,设计了一种较为理想的复式散热结构。     

聚酰亚胺薄膜层叠体热处理过程中的结构演变

将双向拉伸PI薄膜,层叠后经800℃炭化所得样品在热压机中进行从2 500℃到2 800℃的高温石墨化处理制得了高定向石墨材料。借助SEM、XRD、四探针法等测试手段分析了PI薄膜层叠成型体在热处理过程中尺寸、传导性能、微观结构等的变化。结果表明石墨化处理后,样品径向增大,厚度减小;2 800℃处理后材料层间距接近单晶石墨的理论层间距,表现出了较高的石墨化程度,且具有高的取向性和传导性能,根据电阻率与热导率的相关公式推得其热导率为1 000 W/（m.K）～1600 W/（m.K）.在整个热处理过程中,所生成的物质继承了原料分子的取向性。     

PD-SOI NMOSFET负微分电导现象的模拟分析

对无体接触的深亚微米部分耗尽型SOI NMOSFET器件的输出特性分别进行了等温、非等温和非等温能量输运3种模式的模拟,结果表明:SiO2埋层的低导热率使器件在静态工作条件下硅膜温度上升,电子迁移率降低,漏端电流减小;同时,电子温度上升使电子扩散率增加,在无体接触情况下体区电子密度升高,体电势降低,漏端电流减小.通过对模拟结果的分析认为电子迁移率降低和扩散率升高是造成PD-SOI NMOSFET负微分电导现象的主要原因.     

多孔介质有效导热系数的实验与模拟

应用实验与数值模拟相结合的方法研究了多孔介质的有效导热系数.将分形理论与孔道网络模型相结合的分形孔道网络模型用于研究多孔介质的有效导热系数,为太阳池储热、地源热泵传热、食品干燥等方面打下了基础.模拟计算结果与实验结果吻合较好,证明了分形孔道网络模型适用于计算多孔介质的有效导热系数.研究了孔喉比、配位数、垂直热流方向喉道比例、喉道长度、孔隙率、固体骨架导热系数(K.)及流体导热系数(Kf)等多方面对多孔介质有效导热系数的影响.结果表明,垂直热流方向喉道会增大多孔介质的热阻,降低多孔介质的有效导热系数.当K8大于Kf时,随着孔喉比的增大以及喉道长度的减小,多孔介质的有效导热系数越大.当平行热流方向喉道数目相等时,多孔介质的有效导热系数随着配位数的减小而增大;当垂直热流方向喉道数目相等时,多孔介质的有效导热系数随着配位数的增大而增大.     

UV irradiation induced conductivity improvement in poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate) film

We describe a simple method to increase the conductivity of poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate)(PEDOT:PSS)film by exposure to ultraviolet(UV)light in vacuum.Up to four order of conductivity improvement(from 10 3to 50 S/cm)is achieved by irradiating PEDOT:PSS film with 254 nm ultraviolet(UV)light.Increased conductivity in UV treated PEDOT:PSS film is stable under ambient exposure.The mechanism for conductivity improvement is investigated by current-voltage measurement,atomic force microscopy,and absorption spectrum.Photo-cross-linking of PSS chains is determined as the reason for conductivity improvement.Our result demonstrates that UV treatment is capable of modifying the conductivity of PEDOT:PSS film independent of the process of film formation.     

Analysis and calculation of thermal conductivity of rock in deep strata

The thermal conductivity of rock is an important parameter for the deep mine and the geothermal development. It is often not possible to measure the thermal conductivity of the rocks present in the deep strata, and the usual approach is to calculate thermal conductivity including mineralogy and porosity. The compositions of core samples from the MID01 borehole in the Bjorko area were determined, and the mineral composition was classified. The calculation of the thermal conductivity of rock in the borehole was carried out, and the main factors for the thermal conductivity of rock were analyzed. The results show that the calculated thermal conductivity of rock is reliable and useful for the design and calculation of geothermal development in the Bjorko area.     

电阻阵列红外景物产生器微桥结构的研制及仿真

为了进一步提高电阻阵列红外景物产生器的性能,设计并制作了该器件的微桥结构.利用SiOx与TiWN分别作为微桥结构的介电材料与电阻材料;利用表面工艺技术制作160×120阵列微桥结构;并对微桥结构进行了热学性能的仿真分析.研究结果表明：所设计的工艺流程可行,成功制作了微桥结构阵列;制作的微桥桥面具有良好的温度分布均匀性;在相同电功率下,采用低热导率的SiOx薄膜取代SiNx薄膜能够显著提高桥面温度.     

硅晶体热导率及点缺陷散射影响的分子动力学模拟

由于材料中存在的缺陷结构会对材料的导热性能造成影响,本文应用逆非平衡分子动力学方法对硅材料的热导率及空位缺陷、间隙原子两种点缺陷结构对材料热导率的影响进行模拟研究.模拟结果表明:由于点缺陷存在时声子与缺陷间的散射作用,材料热导率随两种点缺陷浓度的增加逐渐减小,低缺陷浓度使得材料热导率有更大幅度的降低,随缺陷浓度增加,热导率降低的幅度逐渐平缓;当材料中存在相对较高缺陷浓度时,温度对热导率不再具有显著影响.通过对热阻的分析得出,各温度下含两种点缺陷结构时的相对热阻增量均与所考虑的点缺陷浓度呈线性关系.进一步由此宏观量间的线性关系揭示出微观层面声子、缺陷散射的平均自由程与点缺陷浓度间的反比关系.以线性关系的斜率作为衡量点缺陷对材料热阻(热导率)影响程度大小的影响因子,两种点缺陷的影响因子均随温度的升高而降低,而间隙原子对材料热导率有相对更大的影响.