文档介绍：金属纳米颗粒的热导率
研究背景
研究内容
结果讨论
主要内容
1. 电子热导率和声子热导率
2. 块材中的电子平均自由程
3. 电子平均自由程的模拟
4. 声子热导率计算相关模型
研究背景
纳米颗粒的应用
二氧化硅气凝
胶胶体结构示意
SBA-15纳米颗粒组成的微球
Shi Z, Neoh K G, Kang E T 2004 Langmuir 20 6847
纳米颗粒组装相变材料
催化剂载体
Zeng J L, et al. 2007 J. Therm. Anal. Cal. 87 369
生物医药
Esteban-Cubillo A, et al. 2006 J. Mater. Sci. 41 5208
微探测器
Magdassi S, et al. 2005 Langmuir 21 10264
纳米流体
Prasher R, et al. 2005 Phys. Rev. Lett. 94 025901
绝热材料
Gaosheng Wei, et al. 2011 Int. J. Heat and Mass Trans. 54 2355
研究背景
纳米颗粒热导率研究现状
几何分析+动力学理论
直接实验比较困难
理论研究(分子动力学+量子力学)比较复杂
Yuan S P, Jiang P X 2006 Int. J. Thermophys. 27 581
圆形截面纳米线
方形截面纳米线
梯形截面纳米线
Cu、Au纳米薄膜
Richardson R A, Nori F 1993 Appl. Phys. Lett. 63 2076
Richardson R A, Nori F 1993 Phys. Rev. B 48 15209
Krzysztof I 2010 Nanoelectronics: Nanowires, Molecular Electronics, and Nanodevices. p7
Feng B, et al. 2009 J. Phys. D: Appl. Phys. 42 055311
统计模拟
根据动力学理论,电子热导率和声子热导率可以表达为
电子热导率:由于纳米材料的电子比热和费米速度与块材电子比热和费米速度相同,因此无量纲电子热导率等于无量纲电子平均自由程,即ke*= le* 。
声子热导率:与电子热导率不同,声子比热和声子平均群速度都存在尺寸效应,因此无量纲声子热导率 kph*=Cph*vph*lph*
研究内容
电子热导率和声子热导率
块材中的电子平均自由程
研究内容
块材电子平均自由程为半球空间内,电子自由程,沿传输方向Z的积分平均,相应表达式为:
其中θ, φ分别为电子运动方向与Z轴的夹角,电子运动方向在XY面的投影与X轴正向的夹角。
(a)自由电子均匀分布在材料中;
(b)电子以费米速度沿直线运动,直到碰到边界或移动了与块材电子自由程(l00)相当的距离;
(c)通过块材电子自由程(l00)引入背景散射的影响;
(d)采用与文献中相同的假设,认为边界散射为完全非弹性散射。
模拟假设:
电子平均自由程的模拟
研究内容
ke*= le*
kph*=Cph*vph*lph*
电子平均自由程模拟流程
考虑尺寸效应的纳米颗粒Debye温度表达为:
基于Debye模型的声子比热可表达为:
无量纲声子比热为:
由于声子群速度正比于Debye温度,无量纲声子平均群速度可以表达为:
研究内容
、平均群速度和平均自由程的计算
R0为理想气体常数
Svib为振动熵
电子平均自由程模拟结果
当特征尺寸较小时,随着尺寸增大,电子平均自由程增长较快,方形和球形纳米颗粒电子平均自由程随尺寸增大几乎呈线性增长;
当特征尺寸达到一定尺度后,大约de*>6,各纳米结构的无量纲电子平均自由程趋于相等,且不再随尺寸增长而显著变化;
具有相同特征尺寸的方形和球形纳米颗粒的无量纲电子平均自由程比较接近。
结果讨论
声子热导率
Ag纳米颗粒的声子热导率
纳米颗粒的声子比热随着纳米颗粒直径的减小而增大,而声子平均群速度随着直径减小而减小,但他们的乘积对纳米颗粒声子热导率的综合影响不大;
纳米颗粒的声子热导率主要取决于声子平均自由程,可以近似认为kph*= lph*
结果讨论