基于分子动力学的波包分析声子对传热影响的方法

1.本发明属于分子动力学模拟技术领域，特别涉及一种基于分子动力学波包分析声子对传热影响的方法。


背景技术：

2.随着纳米技术的发展，从纳米的层面研究材料的传热特性越来越受到人们的重视。在实际生活中，对电子散热必定会出现不同材料的界面，而目前最多研究界面的传热是用热阻或者热导率来表征，但从机理上分析是什么因素影响传热就相对较少。
3.现有技术中通常从微观上用声子来计算不同材料界面热导率，而没有考虑声子在界面是如何影响热导率的。


技术实现要素：

4.目前大多数的研究只是停留在研究单一热导率，单从研究热导率只是能解决一部分散热问题。但从机理上来看是声子在影响热导率，声子是固体中的热传导的主要载体。当固体受到热梯度时，高温区的声子会传递能量给低温区的声子，从而引起热传导。声子的传递过程受到声子-声子散射的影响，散射会影响声子的平均自由程和传播速度，进而影响热导率。不同界面之间的声子散射是影响热导率的重要因素，为此，本发明介绍了一种基于分子动力学波包分析的方法研究不同界面处的声子对热传输的影响。
5.实现声子在不同界面的波包分析的方法，本发明以范德华(vder)形成异质结构的界面进行说明，材料是碳化硼(bc3)和硼氮碳化合物(bc6n)，具体步骤如下：
6.步骤1：建立多层材料模型。分为上下两部分原子层，上部分是材料为碳化硼，下部分是硼氮碳化合物。
7.步骤2：设置选择合适的势函数。选择z方向进行选取多个晶格中的碳原子，这些碳原子是在z方向且在同一直线上。
8.步骤3：以分子动力学方法进行仿真。在热源中注入能量，随着时间输出步骤2所选取晶格中的碳原子的速度、位置信息。
9.步骤4：根据波包理论公式计算相关参数：
10.公式一：
11.使公式一产生时间依赖则有以下式子：
12.公式二：
13.可以得到以时间为依赖的速度
14.公式三：
15.当时间t＝0时，则速度为
16.公式四：
17.步骤5：选择研究的k0进行绘制曲线。根据以上公式进行初始化和时间以及位置进行绘制波包曲线。
附图说明
18.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
19.图1是本发明提供的一种基于分子动力学的波包分析声子对传热影响的方法流程图示意图；
20.图2是本发明的多层结构示意图；
21.图3是本发明通过matlab拟合得到的波包示意图。
具体实施方式
22.下面将结合本发明实施例中的附图1，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.步骤1：建立多层材料模型，分为上下两部分原子层，上部分是材料为碳化硼，下部分是硼氮碳化合物，结构示意图如图2所示。选择上部分5层材料为热源层，选择下部分5层材料为热沉层，从而实现从上部分到下部分形成热流，不同材料之间形成范德华异质结。由x方向和y向相同尺寸的碳化硼和硼氮碳化合物，在z方向以相同的距离堆叠在一起，形成上部分是200层碳化硼，下部分是200层硼氮碳化合物。每层之间有
24.步骤2：设置选择合适的势函数。层内原子选择tersoff势函数，层之间的势函数用l-j势函数。选择z方向进行选取多个晶格中的碳原子，这些碳原子是在z方向且在同一直线上。在靠近两种材料的界面层两侧选择碳原子，每隔20层材料选择一个晶格内的碳原子，用于绘制曲线。
25.步骤3：以分子动力学方法进行仿真。在热源出加能量，在热沉处减能量，使得从热源到热沉产生热流。随着时间输出步骤2所选取晶格中的碳原子的z方向速度、位置信息。总共进行400000步长(timestep)，1timestep＝0.0005ps(1ps＝10-12
s)每隔20个步长输出一组数据。
26.步骤4：根据波包理论公式计算相关参数：
27.公式一：
28.公式一，un是原子位移，是波包的振幅，是在波矢量k0时特征模z方向的极化矢量的分量，波包的中心为z0,z是原子位置，ξ为波包宽度。
29.使公式一产生时间依赖，原子位移随时间变化则有以下式子：
30.公式二：
31.ω为叫角频率，t为时间，i是虚部，计算是用实部。
32.可以得到以时间为依赖的速度
33.公式三：
34.当时间t＝0时，则速度为：
35.公式四：
36.首先初始化位移和速度，得到接下来根据下一个步长输出的信息初始化位移和速度中的参数。
37.步骤5：选择研究的k0进行绘制曲线。根据步骤4的计算参数方法来获取到研究位置的所有参数，最后根据不同时间和位置决定的参数进行绘制曲线。最后得到位移与原子位置有关的波包曲线，把每个时间段的波形在研究位置z的曲线。可以看出波形的变化。如图3所示为波包的形状。
38.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而己，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。


技术特征：
1.一种基于分子动力学的波包分析声子对传热影响的方法，其特征在于，所述方法包括：步骤1：建立多层材料模型，分为上下两部分原子层，上部分是材料为碳化硼，下部分是硼氮碳化合物。步骤2：设置选择合适的势函数。选择z方向进行选取多个晶格中的碳原子，这些碳原子是在z方向且在同一直线上。步骤3：以分子动力学方法进行仿真，在热源中注入能量。随着时间输出步骤2所选取晶格中的碳原子的速度、位置信息。步骤4：根据波包理论公式计算相关参数：公式一：使公式一产生时间依赖则有以下式子：公式二：可以得到以时间为依赖的速度：公式三：当时间t＝0时，则速度为：公式四：步骤5：选择研究的k0进行绘制曲线。根据以上公式进行初始化和时间以及位置进行绘制波包曲线。2.根据权利要求1所述的基于分子动力学的波包分析声子对传热影响的方法，其特征在于步骤1具体为：建立多层材料模型，分为上下两部分原子层，上部分是材料为碳化硼，下部分是硼氮碳化合物。选择上部分5层材料为热源层，选择下部分5层材料为热沉层，从而实现从上部分到下部分形成热流，不同材料之间形成范德华异质结。由x方向和y方向相同尺寸的碳化硼和硼氮碳化合物，在z方向以相同的距离堆叠在一起，形成上部分是200层碳化硼，下部分是200层硼氮碳化合物。每层之间有3.根据权利要求1所述的基于分子动力学的波包分析声子对传热影响的方法，其特征在于步骤2具体为：设置选择合适的势函数。层内原子选择tersoff势函数，层之间的势函数用l-j势函数。选择z方向进行选取多个晶格中的碳原子，这些碳原子是在z方向且在同一直线上。在靠近两种材料的界面层两侧选择碳原子，每隔20层材料选择一个晶格内的碳原子，用于绘制曲线。4.根据权利要求1所述的基于分子动力学的波包分析声子对传热影响的方法，其特征在于步骤3具体为：以分子动力学方法进行仿真，在热源中注入能量。在热源出加能量，在热沉处减能量，使得从热源到热沉产生热流。随着时间输出步骤2所选取晶格中的碳原子的z方向速度、位置信息。总共进行400000步长(timestep)，1timestep＝0.0005ps(1ps＝10-12
s)每隔20个步长输出一组数据。5.根据权利要求1所述的基于分子动力学的波包分析声子对传热影响的方法，其特征在于步骤4具体为：根据波包理论公式计算相关参数：
公式一：公式一，u
n
是原子位移，是波包的振幅，是在波矢量k0时特征模z方向的极化矢量的分量，波包的中心为z0,z是原子位置，ξ为波包宽度。使公式一产生时间依赖，原子位移随时间变化则有以下式子：公式二：ω为叫角频率，t为时间，i是虚部，计算是用实部。可以得到以时间为依赖的速度公式三：当时间t＝0时，则速度为：公式四：首先初始化位移和速度，得到接下来根据下一个步长输出的信息初始化位移和速度中的参数。6.根据权利要求1所述的基于分子动力学的波包分析声子对传热影响的方法，其特征在于步骤5具体为：选择研究的k0进行绘制曲线。根据步骤4的计算参数方法来获取到研究位置的所有参数，最后根据不同时间和位置决定的参数进行绘制曲线。最后得到位移与原子位置有关的波包曲线，把每个时间段的波形在研究位置z的曲线。可以看出波形的变化。

技术总结
本申请公开了一种基于分子动力学的波包分析声子对传热影响方法，该方法包括了(1)建立多层材料模型；(2)设置选择合适的势函数；(3)以分子动力学方法进行仿真；(4)根据波包理论公式计算相关参数。(5)选择研究的k0进行绘制曲线；本发明是基于微观尺度的，以堆叠式碳化硼/硼氮碳化合物为界面基于分子动力学数值分析，用波包分析声子在界面的变化，在微观机理上揭示了声子对传热影响。理上揭示了声子对传热影响。理上揭示了声子对传热影响。


技术研发人员：陈俏均
受保护的技术使用者：桂林电子科技大学
技术研发日：2023.06.05
技术公布日：2023/9/12