摘要
纳米尺度下的热输运是物理学的一个基本问题，并且在工程应用中具有重要意义，其中诸多的新现象、新机制与应变存在着密切关联。磷烯是具有直接带隙的新型二维半导体材料，近年来得到了研究者们的广泛关注。本文采用分子动力学方法对多种应变条件下磷烯的导热特性进行了系统的理论研究。首先研究了本征磷烯的导热特性与尺寸和温度的关系，磷烯沿扶手椅和锯齿方向的室温热导率分别为18.57与52.52Wm-1K-1，热导率的各向异性比为2.83。计算了磷烯的拉伸、压缩和剪切形变的基本力学性能参数，验证了本文对应变加载模拟的合理性与可靠性。结果表明，磷烯的拉伸和剪切形变为脆性断裂过程，磷烯的压缩形变为塑性行为。室温下，磷烯在扶手椅和锯齿方向上的拉伸、压缩和剪切模量分别为20.6与95.6Gpa，20.86与102.01GPa，以及22.20与22.34GPa。磷烯的拉伸和压缩力学具有显著的各向异性，而磷烯的剪切力学则是各向同性的。另外，由温度诱导的材料软化可以显著削弱磷烯的抗拉伸与抗剪切形变的能力。当对磷烯施加应变时，磷烯沿扶手椅方向的热导率在各类应变条件下均低于无应变时的热导率值，而应变对磷烯锯齿方向热导率的影响则与扶手椅方向非常不同。另外，在小应变条件下，磷烯的高频声子均会产生明显的红移，致使声子群速度的减小和热导率的降低。随着应变的继续增大，磷烯声子振动模式随压缩应变的增加不再有明显的改变，但是拉伸和剪切应变会对磷烯的声子振动模式特别是高频声子的振动特性产生重要的影响，因此在应变下磷烯的高频声子对热传输起主导作用。同时，机械形变的存在会严重改变磷烯晶格的非简谐振动，继而在不同程度上对磷烯声子间的散射产生重要影响。本文认为，磷烯声子态密度的改变特别是高频声子振动特性的变化以及由于机械形变导致的声子散射通道的变化共同决定了磷烯在不同应变条件下的导热特性。本文的研究工作进一步拓宽了对磷烯导热特性物理机制的理解，促进其导热性能应变调控技术的发展，可以为新型磷烯器件的基础研究和技术应用提供重要参考。
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