低维纳米材料热输运性能的分子动力学模拟_董海宽著_9787502496241

本书系统介绍了低维纳米材料热输运性能的分子动力学模拟方法，及其在一些具有代表性的低维纳米材料中的应用，如碳纳米管、石墨烯、二维材料等。主要内容包括：低维纳米材料热输运性能及相关理论，分子动力学模拟的基础知识，分子动力学模拟热输运方法及应用，几种具有代表性的复杂结构的热输运性能，以及机器学习势在热输运领域的应用。

　　随着现代新兴纳米技术和工艺的进步，微纳尺度半导体电子器件得以迅猛发展，并展现了一系列新奇的物理特性及潜在的应用价值。然而，这些器件在能量传输过程中必然存在热传输或热耗散形式的能量转换。它们具有高性能和小尺度的特点，这带来了严峻的控温挑战，散热及传热问题极大地限制了这些器件的性能。有效的热管理与热控制及定向传热已成为当前传热领域研究的重点和方向。许多电子设备系统的热管理技术已是不可或缺的重要技术，如激光器、雷达、航天飞机、超算数据中心等。这些电子系统所涉及的芯片和器件，除具有小型化、高集成、高热流密度的特点外．还要满足大规模化和极端环境条件的要求，必须面对热管理相关的产热、传热、散热及隔热一系列复杂的热输运问题，特别是以新兴材料为代表的微纳尺度传热。新兴材料及其热管理是下一代电子器件和设备研制的核心要素，已成为近些年来国际热科学研究的热点问题之一，也是“后摩尔”时代电子技术发展的一项重大挑战。

　　尽管实验测量方法进展迅速，但进行纳米级热传导实验仍然具有很大的挑战性。存在实验测量困难及测量精度不足而导致较大误差等诸多不可预见和不可靠因素。因此，迫切需要理论计算方法来辅助实验研究，以解释当前测量技术尚不成熟的潜在机制或预测新的物理现象。而以前的理论工作由于计算技术及资源的限制仅仅考虑过较小的体系，且得到的往往是弹道输运现象，与现实的实验情形相去甚远。采用多尺度的分子动力学模拟方法更有利于探索新型低维纳米结构中几何构型（形状、尺寸和边界等）、组分、外场（温度）以及多种散射机制（杂质散射、缺陷散射、界面散射等）对热输运性质的影响，研究调控纳米结构的热输运机制。分子动力学方法对于模拟大尺度、复杂结构的热输运性能，有着无法替代的优势。由于描述原子间相互作用的可靠势函数的限制，极大地制约了分子动力学模拟方法及时有效的应用实施。因此，需要深入研究微纳尺度的复杂结构的热输运机理，发展更精确有效的计算方法以解释或预言相关的实验现象。寻找和设计有广泛应用前景的新型导热材料、热电材料、隔热材料和热控制器件．促进分子动力学模拟方法在热输运领域中的应用与发展。

　　本书围绕分子动力学模拟方法计算热导率展开全面系统的讨论，主要贡献有以下三点：

　　（1）理解各种分子动力学模拟方法研究热输运性质的理论背景，探究这些方法不同理论背景下的近似条件，以及适用性和优缺点，有效结合这些方法为进一步深入研究复杂结构体系的热输运性能夯实基础。

　　（2）针对几种具有代表性的复杂结构，深挖热输运过程中因晶格振动引起的声子传输特性及相关物理机制。低维纳米材料是一个理想的理论研究平台，可为设计新型可控的热管理器件提供理论支持。

　　（3）探索机器学习势在热输运领域的具体应用。建立了针对声子输运性质的机器学习势训练方案，包括训练集的准备、机器学习势的训练以及声子相关特性的验证与评估。解决传统经验势可靠性差、势函数匮乏等分子动力学模拟卡脖子的问题。

　　本书所涉及研究内容获得国家自然科学基金项目“基于石墨烯及其它两维材料的柔性热电材料的多尺度模拟”（项目编号：11974059）、渤海大学校级重点资助科研项目“基于高精度机器学习势研究新型材料的热输运性能”（项目编号：0522xn076）、渤海大学校博士启动基金项目“新型低维纳米材料热输运性的模拟”（项目编号：0523bs008）的支持。

　　本书的出版得到了渤海大学的大力支持。在编写过程中，北京科技大学宿彦京教授、钱萍教授，渤海大学修晓明教授、樊哲勇副教授给予了大量的指导和帮助。在此，向支持本书出版的单位和个人表示由衷的感谢。

　　由于作者水平所限，书中欠妥之处恳请各位读者不吝赐教。

你还可能感兴趣

我要评论