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硅功能化石墨烯热导率的分子动力学模拟

惠治鑫 贺鹏飞 戴瑛 吴艾辉

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硅功能化石墨烯热导率的分子动力学模拟

惠治鑫, 贺鹏飞, 戴瑛, 吴艾辉

Molecular dynamics simulation of the thermal conductivity of silicon functionalized graphene

Hui Zhi-Xin, He Peng-Fei, Dai Ying, Wu Ai-Hui
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  • 采用Tersoff势函数与Lennard-Jones势函数,结合速度形式的Verlet 算法和Fourier定律,对单层和两层硅功能化石墨烯沿长度方向的导热性能进行了正向非平衡态分子动力学模拟. 通过模拟发现,硅原子的加入改变了石墨烯声子的模式、平均自由程和移动速度,使得单层硅功能化石墨烯模型的热导率随着硅原子数目的增加而急剧地减小. 在300 K至1000 K温度变化范围内,单层硅功能化石墨烯的热导率呈下降趋势,具有明显的温度效应. 对双层硅功能化石墨烯而言,少量的硅原子嵌入,起到了提高热导率的作用,但当硅原子数目达到一定数量后,材料的导热性能下降.
    Direct non-equilibrium molecular dynamics (NEMD) was used to simulate the thermal conductivities of the monolayer and the bilayer silicon functionalized graphenes along the length direction respectively, with the Tersoff potential and the Lennard-Jones potential, based on the velocity Verlet time stepping algorithm and the Fourier law. Simulation results indicate that the thermal conductivity of the monolayer silicon functionalized graphene decreases rapidly with increasing amount of silicon atoms. This phenomenon could be primarily attributed to the changes of graphene phonon modes, mean free path, and motion speed after silicon atoms are embedded in the graphene layer. Meanwhile, the thermal conductivity of the monolayer graphene is declined in the temperature range from 300 to 1000 K. As for the bilayer silicon functionalized graphene, its thermal conductivity increases as a few silicon atoms are inserted into the layer, but decreases when the number of silicon atoms reaches a certain value.
    • 基金项目: 中央高校基本科研业务费专项基金、上海市自然科学基金(批准号:11ZR1439100)、宁夏高等学校科学研究项目(批准号:宁教高[2012]336)和宁夏师范学院创新团队项目(批准号:ZY201211)资助的课题.
    • Funds: Project supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities of Ministry of Education of China, the Natural Science Foundation of Shanghai, China (Grant No. 11ZR1439100), the Scientific Research Foundation of the Higher Education Institutions of Ningxia Province, China (Grant No. [2012]336), and the Innovative Research Team Project of Ningxia Normal College, China (Grant No.ZY201211).
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出版历程
  • 收稿日期:  2013-11-07
  • 修回日期:  2013-12-17
  • 刊出日期:  2014-04-05

硅功能化石墨烯热导率的分子动力学模拟

  • 1. 同济大学, 航空航天与力学学院, 上海 200091;
  • 2. 宁夏师范学院, 物理与信息技术学院, 固原 756000
    基金项目: 中央高校基本科研业务费专项基金、上海市自然科学基金(批准号:11ZR1439100)、宁夏高等学校科学研究项目(批准号:宁教高[2012]336)和宁夏师范学院创新团队项目(批准号:ZY201211)资助的课题.

摘要: 采用Tersoff势函数与Lennard-Jones势函数,结合速度形式的Verlet 算法和Fourier定律,对单层和两层硅功能化石墨烯沿长度方向的导热性能进行了正向非平衡态分子动力学模拟. 通过模拟发现,硅原子的加入改变了石墨烯声子的模式、平均自由程和移动速度,使得单层硅功能化石墨烯模型的热导率随着硅原子数目的增加而急剧地减小. 在300 K至1000 K温度变化范围内,单层硅功能化石墨烯的热导率呈下降趋势,具有明显的温度效应. 对双层硅功能化石墨烯而言,少量的硅原子嵌入,起到了提高热导率的作用,但当硅原子数目达到一定数量后,材料的导热性能下降.

English Abstract

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