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石墨炔纳米带热传导的分子动力学模拟

李焜;兰生;高新昀

【摘要】本文采用非平衡分子动力学的方法,通过在纳米带长度方向上施加周期性

边界条件,基于Airebo势函数描述碳-碳原子间的相互作用,对单层石墨炔纳米带的

热导率与尺寸变化以及手性之间的关系进行了模拟,利用Fourier定律计算热导率.

模拟结果表明:(1)石墨炔纳米带的热导率随长度的增加而增加;(2)Airebo势函数计

算得到石墨炔纳米带的热导率高于Tersoff势函数.

【期刊名称】《电气开关》

【年(卷),期】2017(055)005

【总页数】4页(P27-30)

【关键词】石墨炔纳米带;分子动力学;尺寸;势函数;热导率

【作者】李焜;兰生;高新昀

【作者单位】福州大学电气工程与自动化学院,福建福州350108;福州大学电气

工程与自动化学院,福建福州350108;福州大学电气工程与自动化学院,福建福州

350108

【正文语种】中文

【中图分类】TM2

1引言

电子器件随着制造工艺的不断发展，微型化达到纳米量级，但是急剧减小的尺寸引

起器件内热量快速增加，于是纳米尺度下的器件能否稳定运行取决于其产生的热量

转移效率的高低。只有热量得到及时的排出，器件内部的局部温度才不会超过其正

常工作温度，有利于延长器件的使用寿命，否则散热问题将严重制约器件微型化的

进一步发展。

Baughman等[1]预测了一种新型的碳结构-石墨炔。Li等[2]利用六炔基苯在铜片

催化的作用下发生偶联反应，在铜片表面上成功制备出大块graphdiyne薄膜，

引起科学界对graphyne的关注热潮。Zhang等[3]通过分子动力学模拟方法研究

了graphyne的导热系数，结果表明graphyne存在乙炔链使得其导热系数低于

石墨烯的。欧阳等[4]通过格林方法对graphyne纳米带的热输运进行研究，结果

发现graphyne纳米带的热导率与其手性有关。对于小尺寸的石墨炔纳米带的尺

寸效应及Airebo势函数与Tersoff势函数对热导率的影响文献比较少看到。

因为纳米尺度下的石墨炔结构的变化会造成声子在传输过程中的声子移动速度和平

均自由程发生变化，将影响声子的传热效率[5]。为了更好地预计和控制石墨炔纳

米带热导率，本文主要研究的是长度和宽度及势函数对石墨炔纳米带热导率的影响。

2分子动力学模拟

2.1研究方法

分子动力学模拟方法是利用计算机进行模拟实验，来研究和反应整个过程，这对于

理论计算和实验都具有重要意义。该法不仅可以“监控”原子，获得原子整个过程

的运动轨迹，也可以像作实验一样，对有兴趣的量进行一系列的观察。该法多用于

多粒子体系中，其核心思想是将体系中的粒子当作经典粒子，使得粒子的运动过程

遵循经典牛顿运动定律。本文通过分子动力学方法，利用经典牛顿力学可得到体系

中所有粒子的运动轨迹，从而得到该体系随时间变化的规律，再通过统计力学理论

计算出体系的一些参数及热输运性质，然后通过这些数据计算得到温度梯度，再带

入热导率公式求出导热系数，如图1所示。

图1分子动力学基本流程图

2.2模型构建

石墨炔是由1,3-二炔键将苯环共轭连接形成的二维平面网络结构，它具有丰富的

碳化学键，大的共轭体系、宽面间距、优良的化学稳定性以及半导体性能如图2

所示。利用MS软件构建石墨炔纳米带模型，根据不同的切割方向可以切得扶手

椅型(armchair)和锯齿型(zigzag)石墨炔纳米带，如图3所示。

2.3势函数的选取

在分子动力学模拟中，原子与原子之间的相互作用力由势函数来体现。对于分子动

力学模拟来说，势能函数的选取决定着模拟计算的准度和精度。对于以碳为成分的

物质和材料诸如石墨、金刚石、碳纳米管、石墨炔、石墨烯等，采用的势函数大多

是Airebo势函数[6]。Airebo势函数是在Rebo势函数的基础上改进和推广的，

通过在Rebo势函数中加入原子与原子之间的长程作用能和原子与原子之间及分子

与原子之间的扭曲作用能，同时Airebo势是一个依赖于周围原子与原子之间的成

键强度及键与键之间的耦合作用强度。Airebo势函数的优势在于它具有更高的精

度，能精确的描述碳碳、碳氢之间的相互作用。因此，在本篇论文中，研究石墨炔

纳米带的热导率，C-C原子之间的相互作用采用Airebo势函数来描述。

图2石墨炔原胞

图3石墨炔纳米带结构

在Rebo