低維納米材料，如納米管，納米線和石墨烯等材料是目前國際上的研究熱點。在納米器件的實際應用中，溫度控制是一個的重要課題。此外，聲子是晶格振動產生的準粒子，其在低維體系中的輸運行為與宏觀體系有著很大的區(qū)別，表現出很多有趣的現象。因此系統(tǒng)介紹納米材料中的聲子熱傳導具有基礎研究意義以及實際應用的價值。本書針對這一熱點問題，系統(tǒng)介紹一維、二維納米材料的熱傳導性質，并詳細闡述常用的理論、計算及實驗研究方法。
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目錄
序
前言
第1章 晶格振動與熱傳導的基本理論1
1.1晶格振動的經典理論1
1.1.1一維單原子鏈2
1.1.2一維雙原子鏈5
1.2晶格振動的量子理論8
1.2.1聲子的概念8
1.2.2晶格比熱9
1.3熱導率11
1.3.1聲子熱導和傅里葉定律11
1.3.2電子熱導14
1.3.3熱電勢15
1.4一維簡諧格點模型15
1.5一維非簡諧格點模型18
參考文獻21
第2章 二維材料的基本物理性質.23
2.1石墨烯的基本物理23
2.2過渡金屬二硫族化合物29
2.3黑磷34
2.4其他二維材料37
2.4.1硅烯37
2.4.2鍺烯39
2.4.3錫烯41
2.4.4二維氮化硼以及硼氮碳雜化材料41
2.4.5二維硒化鎵42
參考文獻43
第3章 一維材料熱傳導46
3.1納米管48
3.1.1碳納米管的高熱導率和尺寸效應48
3.1.2碳納米管中的反常熱擴散51
3.1.3影響碳納米管熱導率的因素55
3.1.4納米管與熱整流56
3.2納米線59
3.2.1幾何效應對熱輸運的影響60
3.2.2納米線中的散射機制64
3.2.3同軸納米線中的共振效應70
3.3一維高分子聚合物72
3.4本章 小結76
參考文獻76
第4章 二維材料熱傳導特性81
4.1石墨烯81
4.1.1石墨烯的熱導率82
4.1.2影響石墨烯熱導率的因素85
4.1.3應用96
4.2二硫化鉬的熱性質99
4.2.1二硫化鉬聲子譜100
4.2.2單層二硫化鉬的熱導率102
4.2.3模式貢獻及與石墨烯的比較104
4.3磷烯的晶格熱導105
4.3.1磷烯的聲子性質105
4.3.2磷烯的各向異性熱導率107
4.3.3勢函數108
4.4其他二維材料109
4.4.1氮化硼熱導率109
4.4.2硅烯材料熱性質109
參考文獻111
第5章 聲子非平衡格林函數方法115
5.1量子熱輸運115
5.1.1熱輸運：從經典到量子115
5.1.2量子熱導116
5.2聲子非平衡格林函數方法120
5.2.1聲子哈密頓量與簡諧近似120
5.2.2聲子熱流121
5.2.3局域聲子熱流128
5.2.4表面格林函數128
5.2.5聲子態(tài)密度129
5.2.6聲學求和規(guī)則與聲學支130
5.2.7聲子與電子格林函數方法的對比134
5.3聲子NEGF方法的應用134
5.3.1一維原子鏈135
5.3.2NEGF數值計算140
5.3.3實際體系的NEGF計算141
5.4本章 小結145
附錄145
A.1Dyson方程145
A.2小于自能函數146
A.3式(5.2.52)積分核的對稱性147
參考文獻148
第6章 分子動力學方法151
6.1分子動力學簡介151
6.2基本原理與模擬流程152
6.2.1基本概念152
6.2.2分子動力學模擬流程155
6.2.3勢函數156
6.2.4數值積分算法159
6.2.5量子修正160
6.3熱導率計算方法162
6.3.1非平衡態(tài)模擬162
6.3.2平衡態(tài)模擬168
6.4聲子相關性質計算176
6.4.1聲子態(tài)密度176
6.4.2聲子色散關系177
6.4.3聲子參與率180
6.4.4聲子群速度181
6.4.5聲子弛豫時間182
參考文獻185
第7章 玻爾茲曼方程輸運計算189
7.1晶格振動的基本屬性190
7.1.1聲子散射190
7.1.2第一性原理計算191
7.2聲子玻爾茲曼輸運方程192
7.2.1線性化聲子玻爾茲曼方程192
7.2.2迭代求解聲子玻爾茲曼方程193
7.2.3Callaway模型194
7.3數值計算中的問題和處理196
7.3.1獨立三階力常數196
7.3.2三階力常數求和規(guī)則197
7.3.3±函數的處理198
7.4示例199
7.4.1GaN199
7.4.2復雜材料skutterudites200
7.4.3二維MoS2202
7.4.4合金203
7.4.5納米線204
7.5存在的挑戰(zhàn)和展望206
參考文獻206
第8章 散射矩陣方法在聲子熱傳導方面的應用211
8.1低維量子結構中聲子熱輸運211
8.2理論與計算方法213
8.2.1彈性波理論213
8.2.2散射矩陣方法219
8.2.3朗道熱輸運理論234
8.3低維量子結構中低溫彈性熱輸運性質研究236
8.3.1二維量子結構中彈性熱輸運性質研究236
8.3.2三維量子結構中彈性熱輸運性質研究240
8.3.3六支低階振動模的熱輸運性質研究242
8.3.4含缺陷量子結構中低溫熱輸運性質的對比研究243
8.4總結245
參考文獻245
第9章 聲子熱傳導的模型研究251
9.1Klemens熱傳導模型251
9.2Callaway模型.255
9.3石墨烯條帶熱導率259
9.4空位缺陷效應264
參考文獻267
第10章 非平衡聲子輸運的數學模型268
10.1玻爾茲曼輸運方程的推導及數學結果268
10.2傅里葉定律274
10.3熱導率：傅里葉定律和非傅里葉定律277
10.3.1擴散尺度277
10.3.2雙曲尺度279
10.3.3中間尺度281
參考文獻283
第11章 低維材料熱傳導測量技術及實驗進展285
11.1懸空微橋法285
11.1.1懸空微橋法背景285
11.1.2懸空微橋法測量原理285
11.1.3懸空器件加工過程287
11.1.4懸空微橋法測量極限及誤差分析288
11.1.5懸空微橋法發(fā)展現狀291
11.1.6電子束自加熱法294
11.2拉曼測量法296
11.2.1拉曼測量二維材料熱導率296
11.2.2拉曼法測量一維材料熱導率298
11.2.3誤差分析299
11.2.4雙激光拉曼法300
11.33*法301
11.3.13*法用于塊體材料測量302
11.3.23*法用于薄膜材料測量304
11.3.33*法用于一維材料測量305
11.3.4測量電路307
11.4時域熱反射法308
11.4.1時域熱反射法實驗裝置308
11.4.2TDTR測量原理310
11.4.3TDTR溫度模型311
11.5熱掃描探針法312
11.5.1SThM基本原理312
11.5.2SThM探針類型313
11.5.3SThM測量模式314
11.5.4SThM熱傳遞通道分析315
11.5.5SThM的應用316
11.6有限元模擬法317
11.6.1物理模型317
11.6.2器件制備318
11.6.3模擬求解318
11.6.4誤差分析320
11.7其他測量方法322
11.7.1四電極自加熱法322
11.7.2“T”型短線法322
11.8實驗進展323
11.8.1熱導率尺度效應323
11.8.2熱導率同位素效應325
11.8.3聲子學元器件326
11.8.4熱導率與聲子平均自由程328
11.8.5近場輻射330
參考文獻332
第12章 量子主方程方法338
12.1開放量子體系與熱輸運338
12.1.1開放量子體系338
12.1.2約化密度矩陣339
12.2量子主方程方法339
12.2.1Red-eld量子主方程的推導339
12.2.2量子主方程的求解342
12.2.3熱輸運的計算343
12.3量子主方程的應用345
12.3.1聲子熱傳導345
12.3.2電子熱傳導349
12.4量子主方程方法的總結352
參考文獻353
第13章 新型熱功能器件354
13.1熱二極管354
13.2熱三極管和邏輯門357
13.3聲子計算機360
13.4熱屏蔽技術362
參考文獻367
索引369
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