【摘 要】
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“声子液体”材料因其内部存在类“液态”离子,可大幅度降低导热系数,提高热电优值,在热电领域中具有重要的应用前景。然而,该材料内部类“液体”离子对导热系数的影响机制尚不明晰。本文以典型的“声子液体”材料β-Cu2-xSe为研究对象,应用分子动力学模拟的方法,研究其导热性能和类“液态”离子的扩散特性,分析了空位和掺杂对结构和导热性能的影响,并探讨了声子输运特性以构建全面的热传导机理,对“声子液体”材料
【基金项目】
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国家自然科学基金项目(51776041);
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“声子液体”材料因其内部存在类“液态”离子,可大幅度降低导热系数,提高热电优值,在热电领域中具有重要的应用前景。然而,该材料内部类“液体”离子对导热系数的影响机制尚不明晰。本文以典型的“声子液体”材料β-Cu2-xSe为研究对象,应用分子动力学模拟的方法,研究其导热性能和类“液态”离子的扩散特性,分析了空位和掺杂对结构和导热性能的影响,并探讨了声子输运特性以构建全面的热传导机理,对“声子液体”材料的开发设计具有一定的指导意义。本文首先建立了β-Cu2Se的分子动力学计算模型,并通过密度和比热容的计算,对所建模型和计算方法进行了验证。同时,将导热系数按离子种类(Cu—Cu、Cu—Se和Se—Se)和不同相互作用(对流项和非键结作用项)进行分解,分析了500~1000 K下β-Cu2Se的导热系数及其贡献项的变化规律,并计算了Cu离子的扩散系数。结果表明,β-Cu2Se在800 K左右经历玻璃态的转变,其密度和热力学量都会在一定程度上产生波动;随着温度升高,β-Cu2Se的导热系数从500 K的1.6 W/m·K下降到1000 K的0.97 W/m·K,热能主要通过非键结作用输运,Cu离子的非键结作用贡献项占比有6%的增长,而Se离子的非键结作用贡献项占比的增长幅度仅为0.06%;温度在700 K以下时,材料整体保持较好的稳定性;温度处于700 K以上时,Cu离子扩散逐渐增强,体现出了类“液态”的特性,而Se离子保持了稳定性;Cu离子扩散是导热系数降低的主要原因。其次,本文研究了β-Cu2-xSe内存在空位和掺杂的情况,计算了β-Cu1.95Se、β-Cu1.97Se、β-Cu2.03Se和β-Cu2.05Se中离子的均方位移MSD、扩散系数和扩散能量壁垒,分析了离子运动的变化;应用平衡态和非平衡态方法计算了导热系数及其贡献项,讨论空位和掺杂对导热性能的影响。结果表明,材料内存在空位时,β-Cu2-xSe的导热系数相比β-Cu2Se平均下降了0.2 W/m·K;在空位的影响下,Cu离子的扩散能力大幅增强,平均扩散系数从2.3×10-13 m2/s增长到1.04×10-11 m2/s,而Se离子整体上保持稳定,但在平衡位置附近的振动增强,说明在空位存在的情况下,Cu离子扩散和Se离子振动均是导致导热系数下降的原因;材料内部掺杂Cu离子时,系统内的离子扩散和导热系数均没有明显变化。最后,本文从声子输运的角度分析了β-Cu2-xSe内部的热输运过程,计算了β-Cu2-xSe(x≥0)在500~1000 K下声子振动态密度和声子色散谱,分析了Cu离子扩散对声子能量和声子散射的影响。结果表明,随着温度的升高,声子振动态密度VDOS的低频峰(50 cm-1)向着低频方向有微小的位移,且峰值有所降低,而高频峰(200 cm-1)的位置近乎没有移动,峰值也近乎没有变化,说明Cu离子扩散引起的声学支能量降低以及光声耦合是导热系数降低的主要原因;对于空位情况,Se离子振动同样降低了声子能量,使得导热系数进一步降低;Cu离子掺杂对声子输运的影响不明显。
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