低维晶格体系中的微热流调控

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1、学校代码10530学号201430990059分类号O469密级公开博士学位论文低维晶格体系中的微热流调控学位申请人孔鹏指导教师唐翌教授学院名称物理与光电工程学院学科专业凝聚态物理研究方向低维体系物理学二零一八年五月二十日MicroHeatFluxRegulationinlowdimensionalLatticesystemCandidatePengKongSupervisorProfessorYiTangCollegeSchoolofPhysicsandOptoelectronicsProgra

2、mCondensedMatterPhysicsSpecializationPhysicsofLow-dimensionalSystemDegreeDoctorofPhilosophyUniversityXiangtanUniversityDateMay20th,2018I摘要最近几年发展起来的一个新兴学科—声子学（Phononics），其旨在探索和分析通过调节声子特定的频率来控制热流传输的学科，处理和调控以声子作为能量和信息载体的信息科学。现在声子学的研究已经初见成果，但是由于声子并不是一个真实存

3、在的基本物理粒子，而是人们为了理解晶格振动而虚拟出来的没有质量、没有电荷的一个能量团，所以其不受重力和电磁力的直接影响，导致给热流的精确调控带来了很大的挑战，因此调控热流的理论基础和科学原理还需要进一步的深入研究。本文通过非平衡分子动力学的方法研究低维非线性晶格体系的热流调控，分析了模型参数和系统外部条件对于热整流以及负微分热阻性质的影响，得到一些普适的、有意义的结论。另外，考虑到由于目前所设计出的声子热器件的模型尺寸大都是微纳米量级的，体系中的量子效应不可忽略，尤其是长时间的演化之后，量子效应对

4、晶格振动传播的热量会产生较大的影响，所以研究了在具有量子效应的非线性晶格体系的热输运性质。这些研究结果为提高热器件效率和设计新的热学器件提供了一些参考意见，本论文研究成果主要集中在以下几个方面：1、研究由Frenkel-Kontorova（FK）和Fermi-Pasta-Ulam（FPU）两段非线性晶格通过简谐耦合作用组成的耦合系统的负微分热阻现象。研究结果表明异质耦合链中是存在负微分热阻的，而且该现象出现的区域可以通过界面位置来进行调节。另外发现耦合模型中的FK段的尺寸大小会影响负微分热阻出现的

5、区域，而FPU段尺寸对负微分热阻出现的区域并没有很大的影响。2、考虑了外部格点势能对于系统热流的调控，主要是研究了双势阱格点势对于一维质量梯度晶格链的热整流性质的影响。通过哈密顿正则方程得到粒子的运动方程，然后利用龙格库塔法来数值求解粒子运动的微分方程，当弛豫足够长时间之后，发现通过调节简谐格点势与非简谐格点势的比，可以调控热流的大小，而且还可以调控热整流的方向。3、在微观或者介观尺寸下，体系中出现的量子效应是不可忽略，其会对微纳热调控器件的效率产生较大影响，甚至会破坏其调控功能。本文设计了“量子

6、变分法”来研究一维量子Frenkel-Kontorova非线性晶格的热输运性质。这种方法将每个晶格格点都用一个Jackiw-Kerman波函数来描述，然后设单粒子波函数的直积形式为体系的多体波函数；借助含时Dirac变分原理，得到波包参数的运动方程，也就是体系的动力学演化方程。经过长时间的弛豫，待系统达到非平衡稳态之后，数值模拟结果显示，量子效应引起非线性晶格体系中热传导行为的变化，并且量子效应越强，流过体系的热流是越大的。II关键词：非线性晶格；热整流；负微分热阻；热传导网络；量子涨落。IIIA

7、bstractPhononics,anewsubjectdevelopedinrecentyears,aimstoexploreandanalyzehowtocontrolheatfluxbyadjustingspecificfrequencies.Onthebasisofthis,wedesignthethermologydevicewhichcancontroltheheatandprocessthethermalsignal,sothattheheatfluxcanbetransmitted

8、accordingtothedesignintentionofthepeople.Butsincephononisnotarealphysicalparticle,itisavirtualclusterofenergywithoutmassandchargetounderstandthevibrationofthelattice,thereforeitisnotdirectlyaffectedbygravityandelectromagneticforce,whichbringsg