利用修正型Nosé-Hoover熱容法於石墨烯熱力與熱機械性質之分析

A Study of Thermodynamic and Thermal-Mechanical Properties of Graphene by a Modified Nosé-Hoover thermostat

陳昆鈴(Kun-Ling Chen)

指導教授 ： 陳文華 ； 鄭仙志

國立清華大學/工學院/動力機械工程學系/碩士(2014年)

摘要

石墨烯（graphene）是由碳原子組成六角呈蜂巢狀晶格的單層二維材料，具有良好的機械性質、電性與熱性質，此外可藉由堆疊方式調變其能帶結構(band structure)，而成為奈米電子元件發展的潛力材料。然當其應用於奈米電子元件時，高功率密度、製程或是環境測試所產生的高溫，常會改變材料之物理性質或行為而使元件性能下降，甚至帶來高熱應力/應變進而造成元件結構材料的破壞。因此，石墨烯的熱力與熱機械性質之探討，已成為一重要研究課題。
過往文獻常結合分子動力學(molecular dynamics)及熱容法(thermostat)模擬分析探討各式固態材料，如石墨烯，於奈米尺度以及正則叢集下(canonical ensemble)溫度相依的材料特性。熱容法包括速度縮放法(velocity-rescaling)、Berendsen熱容法、標準型Nosé-Hoover(NH)熱容法及大規模鏈狀Nosé-Hoover(massive NH chain)熱容法等。但上述各熱容法係以單原子氣體模型為基礎，並未考慮原子間之交互作用力，即原子的勢能(potential energy)，此意謂忽略聲子(phonon)或是量子效應，終將造成無法準確預估極低溫下如石墨烯等固體材料的熱力與熱機械性質以及高溫時系統能量的高度振盪而造成系統穩定度變差及原子鍵結提早斷裂等問題。
本論文為解決上述之缺失，採用一結合修正型Nosé-Hoover熱容法的分子動力學模式深入探討石墨烯於恆溫(constant temperature)或正則叢集下之熱力與熱機械性質，包含楊氏模數、蒲松比、剪切模數、比熱、線性熱膨脹係數與熱傳導係數等以及其與溫度、尺寸、掌性(chirality)與層數間的關係。基本上，此法係藉由Debye理論的晶格振動能(lattice vibration energy)及零點能(zero-point energy) 納入聲子或是量子效應，用以描述固體之能量與溫度間關係以精準掌握固體材料於低溫下之總能量以及維持高溫下固體材料能量及結構的穩定性。計算所得結果與文獻中之理論與實驗結果深入比對，以驗證本論文分析方法之正確及有效性。本論文有助於未來以石墨烯為本之奈米電子元件的設計與開發。

關鍵字

石墨烯 ； 熱力與熱機械性質 ； 分子動力學 ； 固態熱容法

並列摘要

無資料

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graphene ； thermodynamic and thermal-mechanical properties ； molecular dynamics ； solid state thermostat

參考文獻

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