عنوان پایان‌نامه
رسانش گرمایی فسفرین و سیلیسین: مطالعه نظریه تابعی چگالی
- رشته تحصیلی
- فیزیک- حالت جامد
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 69136
- تاریخ دفاع
- ۰۷ تیر ۱۳۹۴
- دانشجو
- مجید زراعتی
- استاد راهنما
- سید مهدی واعظ علائی
- چکیده
- گرافین به عنوان ساختار شبه‌دو بعدی پایدار با خواص الکتریکی، اپتیکی و گرمایی بسیار جذاب، الهام بخش محققان برای تحقیق بر روی سایر مواد دوبعدی ممکن شد. سیلیسین و فسفرین، به دلیل خواص الکتریکی و گرمایی جالبی که دارند، به عنوان دو گزینه ممکن برای نانوساختارهای دو بعدی مطرح شدند. در این پایان‌نامه، ما به مطالعه رسانش گرمایی سیلیسین و فسفرین در چارچوب نظریه تابعی چگالی با استفاده بسته‌های محاسباتی FHI-aims و VASP پرداخته‌ایم. با استفاده از بسته‌های FHI-aims ، VASP و PHONOPY نحنی‌های پاشندگی فونونی سیلیسین و فسفرین را محاسبه می‌کنیم. از دو رهیافت متفاوت (روش Klemens و روش خود-سازگار) برای حل معادله ترابرد بولتزمن برای فونونها استفاده نمودیم. برای فسفرین رسانندگی گرمایی بسیار ناهمسانگرد 79.39 و 30.20 W/mK به ترتیب در جهت‌های زیگزاگ و دسته‌صندلی در دمای اتاق را به دست آوردیم. ولی برای سیلیسین و فسفرآبی رسانندگی گرمایی همسانگرد، به ترتیب 10.12 و 31.54 W/mK حاصل شد. این مقادیر از نظر مقدار، دو مرتبه بزرگی کمتر از رسانندگی گرمایی گرافین هستند. با استفاده از روش خود-سازگار اقدام به محاسبه زمان‌واهلش فونونها برحسب فرکانس نمودیم. رسانندگی گرمایی تجمعی برحسب طول پویش آزاد میانگین فونونها محاسبه شد. این کمیت بیان می‌کند که در رسانندکی گرمایی، کدام محدوده از طول پویش آزاد میانگین فونونها سهم بیشتری دارند. بنابراین به دست آوردن محدوده موثر طول پویش آزاد میانگین فونونها یک رهیافت موثر برای کاهش رسانندگی گرمایی در ساخت نانوساختارها است. همچنین به مطالعه رسانندگی گرمایی نانوسیم‌های سیلیسین و فسفرین برحسب قطر آن‌ها پرداخته شد. همچنین اثر کرنش بر رسانندگی گرمایی هر یک از مواد مورد مطالعه قرار گرفته است. ما نشان دادیم که می‌توان رسانندگی گرمایی این مواد را بر حسب کرنش تنظیم نمود. در هر یک از مواد کرنش باعث افزایش در رسانندگی گرمایی تا میزان دوبرابر می شود. اما با افزایش بیشتر کرنش شاهد کاهش در رسانندگی گرمایی هستیم. کلمات کلیدی: رسانندگی گرمایی، فونونها، معادله بولتزمن ،سیلیسین ، فسفرین، نظریه تابعی چگالی
- Abstract
- Graphene, as a semi 2D stable nanostructure with interesting electrical, optical and thermal properties, inspired researchers to investigate on all possible 2D materials. Silicene, phosphorene and blue phosphorus, have been recently focused as three possible candidates of 2D nanostructures, due to their fascinating electrical and thermal properties. In this thesis, we study the thermal conductivity of silicene and phosphorene within the framework of density functional theory, utilizing FHI-aims and VASP packages. Dispersion curves of silicene and phosphorene have been calculated using FHI-aims, VASP and PHONOPY packages. Two different approaches (the Klemens and the self-consistent method) have been utilized for solving the Boltzmann transport equation for phonons. For phosphorene, we predict a highly anisotropic thermal conductivity, of 79.39 and 30.20 W/mK along the zigzag and armchair directions, respectively at room temperature. But for silicene and blue phosphorus, we predict isotropic thermal conductivity, 10.12 and 31.54 W/mK, respectively. These values are almost two order of magnitude less than the thermal conductivity of graphene. Using self-consistent method, we calculated relaxation times of phonons as function of frequencies and calculated cumulative thermal conductivity vs phonon mean free path. This quantity shows that which mean free paths contribute the most to the thermal conductivity. However, given the broad range of mean free paths that contribute, the most efficient approach to abate ? would be hierarchical nanostructuring. We also studied the thermal conductivity of nanowires of silicene and phosphorene as function of diameters. The effect of strain on their thermal conductivity of each case also studied. We showed it is possible to tune thermal conductivity of the studied nanostructures as functions of strain. Keywords: Thermal Transport, Phonons, Boltzmann Equation, Silicene, Phosphorene, Density Functional Theory
