發(fā)布時間：2020-07-10 12:52

【摘要】：研究熱輸運能夠幫助人們更好的理解、操控熱,從而更加高效的利用能源。隨著能源問題的日益加劇,其重要性越來越突出。低維納米材料和納米結(jié)構(gòu)中的熱輸運近些年來成為研究人員的關(guān)注焦點之一。一方面,低維納米結(jié)構(gòu)在熱輸運方面有很多不同于三維塊體材料的地方。在一維和二維體系中,熱輸運不再服從傅里葉定律,熱導率和體系的大小有關(guān)。同時,低維納米結(jié)構(gòu)的熱輸運更加容易受到界面的影響,界面熱阻隨著體系的維度降低和尺寸的減小,對熱輸運的影響越來越重要。在金屬-絕緣體界面,電子-聲子相互作用對熱輸運性質(zhì)起到重要的作用。從應(yīng)用的角度看,現(xiàn)代化的電子器件向著小型化的方向快速發(fā)展,器件的大小達到納米量級,這樣會導致兩個方面的問題:(1)隨著電子器件的尺寸越來越小,器件內(nèi)部的界面熱阻(比如硅和金的界面之間的熱阻)會阻礙熱量的有效輸運,成為微型芯片等集成器件小型化的重要制約因素。(2)當器件的間隔距離近至1納米左右時,非接觸的輻射傳熱迅速增強,可能影響器件的正常工作。本文針對這些方面做了如下研究工作。(1)研究上關(guān)注納米結(jié)構(gòu)的界面熱輸運時,更多的是考慮金屬-絕緣體界面。其熱輸運的性質(zhì)由界面處的電子-聲子耦合作用決定。這里,我們結(jié)合近期自旋塞貝克效應(yīng)的相關(guān)實驗,考慮一維鐵磁-絕緣體界面處由自旋-聲子耦合作用導致的熱輸運,這對于更進一步理解自旋塞貝克效應(yīng)至關(guān)重要,相關(guān)方面的研究目前非常少。(2)對于納米結(jié)構(gòu)中極近距離下的熱輸運,目前的研究大多采用經(jīng)典漲落電動力學理論,不能同時考慮電子隧穿傳熱和近場輻射傳熱的影響。我們的量子多體輸運理論,能夠同時考慮這兩方面的影響。(3)我們提出在ABC型三層石墨烯(r-TLG)上吸附雜質(zhì)時,能夠出現(xiàn)Fano效應(yīng)。我們希望進一步的工作能夠利用這里出現(xiàn)的量子相干效應(yīng),實現(xiàn)基于r-TLG上的高熱電效率的輸運性質(zhì)。本文的研究方法是基于多體非平衡格林函數(shù)方法結(jié)合費曼圖形法則,這能夠方便的處理有各種相互作用的熱輸運。本文的工作具體如下。首先,我們討論了自旋-聲子相互作用對納米結(jié)構(gòu)熱輸運性質(zhì)的影響。我們考慮了處在外磁場下的一維海森堡自旋鏈模型,對自旋-聲子相互作用采用自洽玻恩近似處理。我們發(fā)現(xiàn)自旋-聲子相互作用能夠影響自旋在高溫的輸運性質(zhì)。在低溫范圍內(nèi),外磁場能夠抑制磁子的激發(fā),降低磁子的熱導。我們發(fā)現(xiàn)熱輸運在鐵磁-絕緣體界面會出現(xiàn)熱整流和負的微分熱導效應(yīng),這是由于界面兩邊磁子和聲子的譜函數(shù)不對稱導致的。外磁場可以很方便的調(diào)節(jié)這種效應(yīng)。這有利于設(shè)計外磁場調(diào)控的熱二極管納米器件。另外,最近的研究表明,自旋-聲子相互作用在自旋塞貝克效應(yīng)中起到非常重要的作用。特別的,實驗上實現(xiàn)了自旋注入的新方式,在鐵磁-絕緣體界面可以通過自旋-聲子相互作用驅(qū)動自旋流的產(chǎn)生。我們的研究能夠幫助理解其相關(guān)機理。其次,我們研究了極近距離下被真空隔開的兩塊金屬板間的近場輻射,它們之間通過電子-電子相互作用傳輸能量。最近的實驗?zāi)軌驕y量金屬板間隔在2納米范圍內(nèi)的熱輸運,這時不僅有電磁輻射傳熱,而且有電子隧穿傳熱。傳統(tǒng)的漲落電動力學理論不能處理這樣的情形,我們的理論能夠解決這一問題。我們考慮了庫侖漲落和電子隧穿兩個過程對熱輸運的影響。我們對金屬板的描述采用立方晶格的緊束縛模型,對電子-電子相互作用采用G_0W_0近似處理。不考慮電子隧穿時,我們的結(jié)果符合傳統(tǒng)的漲落電動力學理論給出的結(jié)果�？紤]電子隧穿時,我們分析了庫侖漲落和電子隧穿這兩個過程對熱輸運的貢獻隨距離的競爭過程。最后,我們對三層石墨烯上磁性雜質(zhì)吸附的局域磁矩的形成進行了系統(tǒng)的研究。單層石墨烯上磁性雜質(zhì)的吸附已經(jīng)有廣泛的研究,這對于設(shè)計基于石墨烯的自旋納米器件有應(yīng)用價值。三層石墨烯由于其疊加序的不同,能帶結(jié)構(gòu)與單層石墨烯有較大的差異,吸附的磁性雜質(zhì)的性質(zhì)有其相應(yīng)的特點和應(yīng)用價值。我們對三層石墨烯采用緊束縛模型,對雜質(zhì)用Anderson雜質(zhì)模型描述,對電子-自旋相互作用采用自洽平均場近似。我們考慮兩種不同疊加序的三層石墨烯,即ABC堆垛的三層石墨烯(簡記為r-TLG)和ABA堆垛的三層石墨烯(簡記為b-TLG),以及磁性雜質(zhì)吸附不同位置時的情況。我們發(fā)現(xiàn)對r-TLG的吸附,雜質(zhì)會出現(xiàn)Fano共振的態(tài)密度。這是由于r-TLG本身在費米面附近較平的特殊能帶結(jié)構(gòu)決定的。而對b-TLG的吸附,雜質(zhì)的態(tài)密度類似于簡單的洛倫茲展寬,這和單層石墨烯的情況類似。另外,我們討論了電場調(diào)控下磁性雜質(zhì)吸附的局域磁矩的形成。我們發(fā)現(xiàn)外電場能使r-TLG上的吸附雜質(zhì)落入相應(yīng)的帶隙態(tài),這有利于其局域磁矩的形成。而b-TLG在外電場的作用下會出現(xiàn)費米面附近的能帶交疊,不利于吸附雜質(zhì)局域磁矩的形成。外電場對吸附的磁性雜質(zhì)的局域磁矩的形成起到開關(guān)的調(diào)控作用,有利于設(shè)計基于三層石墨烯上的磁性雜質(zhì)的自旋開關(guān)。由于最近實驗上觀察到了氫原子在單層石墨烯上吸附的自旋分辨的態(tài)密度,我們這里發(fā)現(xiàn)的Fano態(tài)密度有望將來被相關(guān)的實驗技術(shù)證實。
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O469;TB383.1

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