[发明专利]一种量子化调控材料热导率的方法

权利要求书

1.一种量子化调控材料热导率的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，获取材料中电子的能量本征值和基态能量对于原子位移的二阶导数或三阶导数；

步骤二，若获取的为二阶导数，则根据该二阶导数求取材料声子频率和本征矢，并据此进行非平衡分子动力学模拟，以求得每个声子本征模式贡献的热流稳定值，再根据傅里叶导热定律，计算出每个本征模式对热导率的贡献数值；

步骤三，若获取的为三阶导数，则根据三阶导数获取声子散射矩阵，再根据波矢求出声子线宽，根据所述声子线宽计算弛豫时间，在弛豫时间近似假设下求解声子玻尔兹曼输运方程，从而得到模式热导率以及晶格热导率；

步骤四，根据每个本征模式对热导率的贡献数值或者模式热导率得到材料热导率贡献谱，选出主导材料热导率的声子本征模式；

步骤五，采用太赫兹脉冲激发特定频率声子的共振吸收，从而增加该特定频率声子的能量，使其转化为主导材料热导率的声子本征模式，进而改变主导材料热导率的声子本征模式的数目，以改变和调控材料的热导率。

2.根据权利要求1所述的一种量子化调控材料热导率的方法，其特征在于，步骤一中，根据构成材料晶格的原子结构参数和电子势，基于平面波赝势方法求解薛定谔方程，得到电子的能量本征值E，根据微扰理论得到材料的基态能量对于原子位移的二阶导数或三阶导数。

3.根据权利要求2所述的一种量子化调控材料热导率的方法，其特征在于，所述二阶导数计算公式如下：

所述三阶导数计算公式如下：

式中，m、V、r、ψ和E分别表示约化普朗克常数、电子质量、电子势、空间位置、电子波函数和能量，Φ表示力常数矩阵，下标α、β和γ表示x、y和z方向的分量，j、j′和j″表示原胞中的原子，l、l′和l″表示不同的原胞，u表示原子位移，表示x方向位移变化的小量，表示y方向位移变化的小量，表示z方向位移变化的小量。

4.根据权利要求1所述的一种量子化调控材料热导率的方法，其特征在于，步骤二中，若获取的为二阶导数，通过二阶力常数矩阵结合材料体系所允许的波矢，获取动力学矩阵，进而求得声子频率和本征矢，结合本征矢信息，进行非平衡分子动力学模拟，经过一段时间演化，根据记录的控制体积内每个原子的速度、总能量以及应力张量可以求得每个本征模式贡献的热流稳定值，再根据傅里叶导热定律，计算出每个本征模式对热导率的贡献数值。

5.根据权利要求1所述的一种量子化调控材料热导率的方法，其特征在于，每个本征模式对热导率的贡献数值计算模型如下：

式中，κ(k,v)为本征模式热导率，Q(k,v)为本征模式热流，V_c为石墨烯体积，为温度梯度。

6.根据权利要求1所述的一种量子化调控材料热导率的方法，其特征在于，步骤三中，若获取的为三阶导数，采用三阶力常数矩阵获取散射矩阵，再根据波矢求出声子线宽，进一步计算弛豫时间，在弛豫时间近似假设下求解声子玻尔兹曼输运方程得到模式热导率以及晶格热导率：

式中，κ为热导率，c(k,v)为本征模式热容，为群速度的平方，τ(k,v)为弛豫时间，求和符号内是单个模式热导率，求和是对所有的模式求和。

7.根据权利要求1所述的一种量子化调控材料热导率的方法，其特征在于，步骤五中，通过修正原子的运动速度达到声子本征模式能量的调控效果：

式中，v、m、和e分别表示原子速度、原子质量、简正速度和本征矢，下标i和n分别表示不同原子和不同的声子本征模式，下表a和o分别表示修正后和修正前，常数D表示修正前后声子本征模式能量增加或减少的倍数。