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『簡體書』低维材料及其界面的热输运机制与模型研究

書城自編碼: 3440777
分類: 簡體書→大陸圖書→工業技術一般工业技术
作者: 王艳磊
國際書號(ISBN): 9787302532675
出版社: 清华大学出版社
出版日期: 2019-10-01

頁數/字數: /
書度/開本: 16开 釘裝: 精装

售價:NT$ 561

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編輯推薦:
清华大学优秀博士学位论文丛书(以下简称优博丛书)精选自2014年以来入选的清华大学校级优秀博士学位论文(Top 5%)。每篇论文经作者进一步修改、充实并增加导师序言后,以专著形式呈现在读者面前。优博丛书选题范围涉及自然科学和人文社会科学各主要领域,覆盖清华大学开设的全部一级学科,代表了清华大学各学科*秀的博士学位论文的水平,反映了相关领域*的科研进展,具有较强的前沿性、系统性和可读性,是广大博硕士研究生开题及撰写学位论文的必备参考,也是科研人员快速和系统了解某一细分领域发展概况、*进展以及创新思路的有效途径。
內容簡介:
本书是作者在其博士学位论文的基础上总结、改进、提炼而形成的学术著作。本书通过运用大规模分子动力学模拟与理论分析相结合的方法,重点研究了石墨烯等低维材料中缺陷、无序度、弱耦合界面和强耦合界面等因素影响热输运过程的微观机制,进而基于分子动力学模拟的结果构建了适用于不同低维体系的预测热输运过程的理论模型,促进了对低维材料热输运过程的合理理解,可为微纳米电子器件热管理、新型相变传热材料设计等提供一定的科学参考依据和新思路。
本书可供微纳米材料与器件设计领域相关的学者和科研人员参考。
目錄
目录
第1章绪论
1.1课题背景及研究意义
1.2研究概况
1.2.1国内外研究动态
1.2.2问题与挑战
1.3研究方法简介
1.3.1第一性原理计算方法
1.3.2MD模拟
1.3.3热导率的数值计算
1.4本书的主要内容
第2章缺陷的散射机制与有效介质理论
2.1本章引论
2.2多晶石墨烯的原子结构及热导率的计算方法
2.2.1多晶石墨烯的原子结构
2.2.2热导率的计算方法
2.3多晶石墨烯热导率的计算结果
2.4多晶石墨烯的热流散射机制
2.5有效介质理论及其在多晶石墨烯中的应用
2.5.1宏观晶粒尺寸的多晶石墨烯的热导率
2.5.2多晶石墨烯热输运的温度依赖性
2.6有效介质理论在GO中的应用
2.7本章小结
第3章无序度与振动模态局域化
3.1本章引论
3.2二维双层二氧化硅的结构与计算方法
3.2.1二维双层二氧化硅的原子结构
3.2.2热导率的计算方法
3.3晶体和非晶的二维双层二氧化硅的热输运
3.4振动模态的局域化及相关的理论研究
3.4.1AllenFeldman理论
3.4.2低维材料中振动模态的局域化
3.4.3低维材料中热流的局域化
3.4.4局部无序材料的热输运模型的讨论
3.5本章小结
第4章弱耦合界面与扩散式输运模型
4.1本章引论
4.2石墨烯铜基底界面与扩散式热输运过程
4.2.1石墨烯铜基底界面的构建与结构优化
4.2.2石墨烯在基底上的形貌及水分子插层的影响
4.2.3水分子插层有效减弱界面的电学耦合
4.2.4扩散式热输运机制与水分子插层的影响
4.3石墨烯细胞膜界面与扩散式热输运模型
4.3.1石墨烯生物界面的原子结构
4.3.2石墨烯细胞膜界面的水分子层结构
4.3.3石墨烯细胞膜界面的热耗散过程
4.3.4扩散式热输运机制与生物纳米界面的热耗散模型
4.4关于水分子插层及扩散式输运机制的讨论
4.5本章小结
第5章强耦合分子界面的热输运研究
5.1本章引论
5.2苯环分子结界面的热输运机制与热稳定性
5.2.1苯环分子结的原子模型与界面热阻计算方法
5.2.2单分子结的热输运过程
5.2.3分子结的热耗散与热稳定性
5.2.4苯环分子结界面的热输运机制
5.3SAM金刚石分子结界面的热输运机制
5.3.1SAM金刚石分子结模型与界面热导的计算方法
5.3.2SAM分子结界面的热输运机制
5.3.3影响SAM分子结界面热输运性质的其他因素
5.3.4SAM作为热界面材料的应用前景
5.4强耦合分子界面的热输运机制讨论
5.5本章小结
第6章总结与展望
参考文献附录A与本书有关的物理常数及换算因子附录B振动态密度求解程序附录C振动谱能量密度求解程序附录D热导率求解程序附录E作者发表的相关文章致谢
Contents低维材料及其界面的热输运机制与模型研究
Contents
Chapter 1Introductions
1.1Background and Significance of the Research
1.2Research Situation
1.2.1Reseach Trends at Home and Abroad
1.2.2Problems and Challenges
1.3Brief Introduction of Research Methods
1.3.1FirstPrinciples Methods
1.3.2Molecular Dynamics Simulation
1.3.3Numerical Calculations of Thermal Conductivity
1.4The Main Contents of This Book
Chapter 2The Scattering Mechanism of Defects and the Theory of
Effective Medium
2.1The Introduction of This Chapter
2.2The Atomic Structure of Polycrystalline Graphene and the
Method of Calculating Thermal Conductivity
2.2.1The Atomic Structure of Polycrystalline Graphene
2.2.2The Method of Calculating Thermal Conductivity
2.3The Simulated Results of Polycrystalline Graphene Thermal
Conductivity
2.4Heat Flow Scattering Mechanism of Polycrystalline Graphene
2.5Effective Medium Theory and Its Application in Polycrystalline
Graphene
2.5.1The Thermal Conductivity of Polycrystalline
Graphene with Macroscopic Grain Size
2.5.2Temperature Dependence of Heat Transport of
Polycrystalline Graphene
2.6Applications of Effective Medium Theory in Graphene Oxide
2.7Chapter Summary
Chapter 3Disorder Degree and Vibration Mode Localization
3.1The Introduction of This Chapter
3.2Structure and Calculation Method of TwoDimensional
Bilayer Silica
3.2.1Atomic Structure of TwoDimensional Bilayer Silica
3.2.2The Calculation Method of Thermal Conductivity
3.3Thermal Transports of Crystalline and Amorphous
TwoDimensional Bilayer Silica
3.4Theoretical Study of Localization and Correlation of
Vibration Modes
3.4.1AllenFeldman Theory
3.4.2Localization of Vibration Modes in Low Dimensional
Materials
3.4.3Localization of Heat Flow in Low Dimensional
Materials
3.4.4Discussion on the Thermal Transport Model of
Local Disordered Materials
3.5Chapter Summary
Chapter 4Weak Coupling Interfaces and Diffusional Models of Transport
4.1The Introduction of This Chapter
4.2The Interface of GrapheneCopper Substrate and the Process
of Diffusional Heat Transport
4.2.1Construction and Structure Optimization of the
Interface of GrapheneCopper Substrate
4.2.2The Morphology of Graphene on Substrate and
Effects of the Intercalation of Water Molecules
4.2.3The Intercalation of Water Molecules Effectively
Weaken the Electrical Coupling of the Interface
4.2.4Diffusional Heat Transport Mechanism and Effects
of the Intercalation of Water Molecules
4.3The Interface of GrapheneCell Membrane and the Model of
Diffusional Heat Transport
4.3.1The Atomic Structure of the Interface of Graphene
Biology
4.3.2The Water Molecular Layer Structure of the Interface
of GrapheneCell Membrane
4.3.3The Heat Dissipation Process of the Interface of
GrapheneCell Membrane
4.3.4Diffusional Heat Transport Mechanism and Heat
Dissipation Models of Biological Nano Interfaces
4.4Discussion on the Intercalation of Water Molecules and
Diffusional Heat Transport Mechanism
4.5Chapter Summary
Chapter 5Study on Heat Transfer of Strongly Coupled Molecular
Interfaces
5.1The Introduction of This Chapter
5.2The Heat Transport Mechanism and the Thermal Stability
of Molecular Junction Interface of Benzene Ring
5.2.1The Atomic Model of Molecular Junction of Benzene
Ring and the Calculation Method of the Thermal
Resistance of the Interface
5.2.2The Heat Transport Process of Single Molecular
Junction
5.2.3The Heat Dissipation and Thermal Stability of
Molecular Junction
5.2.4The Heat Transport Mechanism of Molecular Junction
Interface
5.3The Heat Transport Mechanism of Molecular Junction Interface
of SAMDiamond
5.3.1The Molecular Junction Model of SAMDiamond
and the Calculation Method of Interface Thermal
Conductivity
5.3.2The Heat Transport Mechanism of Molecular
Junction Interface of SAM
5.3.3Other Influential Factors of the Heat Transport
Mechanism of Molecular Junction Interface of SAM
5.3.4Application Prospect of SAM as a Thermal Interface
Material
5.4Discussion on the Heat Transport Mechanism of Strongly
Coupled Molecular Interfaces
5.5Chapter Summary
Chapter 6Summary and Outlook
References
Appendix APhysical Constants and Conversion Factors Related to
This BookAppendix BThe Solving Program for Vibrational Density of StatesAppendix CThe Solving Program for Energy Density of Vibrational
SpectrumAppendix DThe Solving Program for Thermal ConductivityArticles Related to This Book Published by the AuthorAcknowledgements
內容試閱
01一流博士生教育体现一流大学人才培养的高度(代丛书序)低维材料及其界面的热输运机制与模型研究
一流博士生教育
体现一流大学人才培养的高度(代丛书序)本文首发于《光明日报》,2017年12月5日。人才培养是大学的根本任务。只有培养出一流人才的高校,才能够成为世界一流大学。本科教育是培养一流人才最重要的基础,是一流大学的底色,体现了学校的传统和特色。博士生教育是学历教育的最高层次,体现出一所大学人才培养的高度,代表着一个国家的人才培养水平。清华大学正在全面推进综合改革,深化教育教学改革,探索建立完善的博士生选拔培养机制,不断提升博士生培养质量。
学术精神的培养是博士生教育的根本
学术精神是大学精神的重要组成部分,是学者与学术群体在学术活动中坚守的价值准则。大学对学术精神的追求,反映了一所大学对学术的重视、对真理的热爱和对功利性目标的摒弃。博士生教育要培养有志于追求学术的人,其根本在于学术精神的培养。
无论古今中外,博士这一称号都是和学问、学术紧密联系在一起,和知识探索密切相关。我国的博士一词起源于2000多年前的战国时期,是一种学官名。博士任职者负责保管文献档案、编撰著述,须知识渊博并负有传授学问的职责。东汉学者应劭在《汉官仪》中写道:博者,通博古今;士者,辩于然否。后来,人们逐渐把精通某种职业的专门人才称为博士。博士作为一种学位,最早产生于12世纪,最初它是加入教师行会的一种资格证书。19世纪初,德国柏林大学成立,其哲学院取代了以往神学院在大学中的地位,在大学发展的历史上首次产生了由哲学院授予的哲学博士学位,并赋予了哲学博士深层次的教育内涵,即推崇学术自由、创造新知识。哲学博士的设立标志着现代博士生教育的开端,博士则被定义为独立从事学术研究、具备创造新知识能力的人,是学术精神的传承者和光大者。
博士生学习期间是培养学术精神最重要的阶段。博士生需要接受严谨的学术训练,开展深入的学术研究,并通过发表学术论文、参与学术活动及博士论文答辩等环节,证明自身的学术能力。更重要的是,博士生要培养学术志趣,把对学术的热爱融入生命之中,把捍卫真理作为毕生的追求。博士生更要学会如何面对干扰和诱惑,远离功利,保持安静、从容的心态。学术精神特别是其中所蕴含的科学理性精神、学术奉献精神不仅对博士生未来的学术事业至关重要,对博士生一生的发展都大有裨益。
独创性和批判性思维是博士生最重要的素质
博士生需要具备很多素质,包括逻辑推理、言语表达、沟通协作等,但是最重要的素质是独创性和批判性思维。
学术重视传承,但更看重突破和创新。博士生作为学术事业的后备力量,要立志于追求独创性。独创意味着独立和创造,没有独立精神,往往很难产生创造性的成果。1929年6月3日,在清华大学国学院导师王国维逝世二周年之际,国学院师生为纪念这位杰出的学者,募款修造海宁王静安先生纪念碑,同为国学院导师的陈寅恪先生撰写了碑铭,其中写道:先生之著述,或有时而不章;先生之学说,或有时而可商;惟此独立之精神,自由之思想,历千万祀,与天壤而同久,共三光而永光。这是对于一位学者的极高评价。中国著名的史学家、文学家司马迁所讲的究天人之际,通古今之变,成一家之言也是强调要在古今贯通中形成自己独立的见解,并努力达到新的高度。博士生应该以独立之精神、自由之思想来要求自己,不断创造新的学术成果。
诺贝尔物理学奖获得者杨振宁先生曾在20世纪80年代初对到访纽约州立大学石溪分校的90多名中国学生、学者提出:独创性是科学工作者最重要的素质。杨先生主张做研究的人一定要有独创的精神、独到的见解和独立研究的能力。在科技如此发达的今天,学术上的独创性变得越来越难,也愈加珍贵和重要。博士生要树立敢为天下先的志向,在独创性上下功夫,勇于挑战最前沿的科学问题。
批判性思维是一种遵循逻辑规则、不断质疑和反省的思维方式,具有批判性思维的人勇于挑战自己、敢于挑战权威。批判性思维的缺乏往往被认为是中国学生特有的弱项,也是我们在博士生培养方面存在的一个普遍问题。2001年,美国卡内基基金会开展了一项卡内基博士生教育创新计划,针对博士生教育进行调研,并发布了研究报告。该报告指出:在美国和欧洲,培养学生保持批判而质疑的眼光看待自己、同行和导师的观点同样非常不容易,批判性思维的培养必须要成为博士生培养项目的组成部分。
对于博士生而言,批判性思维的养成要从如何面对权威开始。为了鼓励学生质疑学术权威、挑战现有学术范式,培养学生的挑战精神和创新能力,清华大学在2013年发起巅峰对话,由学生自主邀请各学科领域具有国际影响力的学术大师与清华学生同台对话。该活动迄今已经举办了21期,先后邀请17位诺贝尔奖、3位图灵奖、1位菲尔兹奖获得者参与对话。诺贝尔化学奖得主巴里夏普莱斯(Barry Sharpless)在2013年11月来清华参加巅峰对话时,对于清华学生的质疑精神印象深刻。他在接受媒体采访时谈道:清华的学生无所畏惧,请原谅我的措辞,但他们真的很有胆量。这是我听到的对清华学生的最高评价,博士生就应该具备这样的勇气和能力。培养批判性思维更难的一层是要有勇气不断否定自己,有一种不断超越自己的精神。爱因斯坦说:在真理的认识方面,任何以权威自居的人,必将在上帝的嬉笑中垮台。这句名言应该成为每一位从事学术研究的博士生的箴言。
提高博士生培养质量有赖于构建全方位的博士生教育体系
一流的博士生教育要有一流的教育理念,需要构建全方位的教育体系,把教育理念落实到博士生培养的各个环节中。
在博士生选拔方面,不能简单按考分录取,而是要侧重评价学术志趣和创新潜力。知识结构固然重要,但学术志趣和创新潜力更关键,考分不能完全反映学生的学术潜质。清华大学在经过多年试点探索的基础上,于2016年开始全面实行博士生招生申请审核制,从原来的按照考试分数招收博士生转变为按科研创新能力、专业学术潜质招收,并给予院系、学科、导师更大的自主权。《清华大学申请审核制实施办法》明晰了导师和院系在考核、遴选和推荐上的权力和职责,同时确定了规范的流程及监管要求。
在博士生指导教师资格确认方面,不能论资排辈,要更看重教师的学术活力及研究工作的前沿性。博士生教育质量的提升关键在于教师,要让更多、更优秀的教师参与到博士生教育中来。清华大学从2009年开始探索将博士生导师评定权下放到各学位评定分委员会,允许评聘一部分优秀副教授担任博士生导师。近年来学校在推进教师人事制度改革过程中,明确教研系列助理教授可以独立指导博士生,让富有创造活力的青年教师指导优秀的青年学生,师生相互促进、共同成长。
在促进博士生交流方面,要努力突破学科领域的界限,注重搭建跨学科的平台。跨学科交流是激发博士生学术创造力的重要途径,博士生要努力提升在交叉学科领域开展科研工作的能力。清华大学于2014年创办了微沙龙平台,同学们可以通过微信平台随时发布学术话题、寻觅学术伙伴。3年来,博士生参与和发起微沙龙12000多场,参与博士生达38000多人次。微沙龙促进了不同学科学生之间的思想碰撞,激发了同学们的学术志趣。清华于2002年创办了博士生论坛,论坛由同学自己组织,师生共同参与。博士生论坛持续举办了500期,开展了18000多场学术报告,切实起到了师生互动、教学相长、学科交融、促进交流的作用。学校积极资助博士生到世界一流大学开展交流与合作研究,超过60%的博士生有海外访学经历。清华于2011年设立了发展中国家博士生项目,鼓励学生到发展中国家亲身体验和调研,在全球化背景下研究发展中国家的各类问题。
在博士学位评定方面,权力要进一步下放,学术判断应该由各领域的学者来负责。院系二级学术单位应该在评定博士论文水平上拥有更多的权力,也应担负更多的责任。清华大学从2015年开始把学位论文的评审职责授权给各学位评定分委员会,学位论文质量和学位评审过程主要由各学位分委员会进行把关,校学位委员会负责学位管理整体工作,负责制度建设和争议事项处理。
全面提高人才培养能力是建设世界一流大学的核心。博士生培养质量的提升是大学办学质量提升的重要标志。我们要高度重视、充分发挥博士生教育的战略性、引领性作用,面向世界、勇于进取,树立自信、保持特色,不断推动一流大学的人才培养迈向新的高度。

清华大学校长2017年12月5日丛书序二低维材料及其界面的热输运机制与模型研究
丛书序二
以学术型人才培养为主的博士生教育,肩负着培养具有国际竞争力的高层次学术创新人才的重任,是国家发展战略的重要组成部分,是清华大学人才培养的重中之重。
作为首批设立研究生院的高校,清华大学自20世纪80年代初开始,立足国家和社会需要,结合校内实际情况,不断推动博士生教育改革。为了提供适宜博士生成长的学术环境,我校一方面不断地营造浓厚的学术氛围,一方面大力推动培养模式创新探索。我校已多年运行一系列博士生培养专项基金和特色项目,激励博士生潜心学术、锐意创新,提升博士生的国际视野,倡导跨学科研究与交流,不断提升博士生培养质量。
博士生是最具创造力的学术研究新生力量,思维活跃,求真求实。他们在导师的指导下进入本领域研究前沿,吸取本领域最新的研究成果,拓宽人类的认知边界,不断取得创新性成果。这套优秀博士学位论文丛书,不仅是我校博士生研究工作前沿成果的体现,也是我校博士生学术精神传承和光大的体现。
这套丛书的每一篇论文均来自学校新近每年评选的校级优秀博士学位论文。为了鼓励创新,激励优秀的博士生脱颖而出,同时激励导师悉心指导,我校评选校级优秀博士学位论文已有20多年。评选出的优秀博士学位论文代表了我校各学科最优秀的博士学位论文的水平。为了传播优秀的博士学位论文成果,更好地推动学术交流与学科建设,促进博士生未来发展和成长,清华大学研究生院与清华大学出版社合作出版这些优秀的博士学位论文。
感谢清华大学出版社,悉心地为每位作者提供专业、细致的写作和出版指导,使这些博士论文以专著方式呈现在读者面前,促进了这些最新的优秀研究成果的快速广泛传播。相信本套丛书的出版可以为国内外各相关领域或交叉领域的在读研究生和科研人员提供有益的参考,为相关学科领域的发展和优秀科研成果的转化起到积极的推动作用。
感谢丛书作者的导师们。这些优秀的博士学位论文,从选题、研究到成文,离不开导师的精心指导。我校优秀的师生导学传统,成就了一项项优秀的研究成果,成就了一大批青年学者,也成就了清华的学术研究。感谢导师们为每篇论文精心撰写序言,帮助读者更好地理解论文。
感谢丛书的作者们。他们优秀的学术成果,连同鲜活的思想、创新的精神、严谨的学风,都为致力于学术研究的后来者树立了榜样。他们本着精益求精的精神,对论文进行了细致的修改完善,使之在具备科学性、前沿性的同时,更具系统性和可读性。
这套丛书涵盖清华众多学科,从论文的选题能够感受到作者们积极参与国家重大战略、社会发展问题、新兴产业创新等的研究热情,能够感受到作者们的国际视野和人文情怀。相信这些年轻作者们勇于承担学术创新重任的社会责任感能够感染和带动越来越多的博士生,将论文书写在祖国的大地上。
祝愿丛书的作者们、读者们和所有从事学术研究的同行们在未来的道路上坚持梦想,百折不挠!在服务国家、奉献社会和造福人类的事业中不断创新,做新时代的引领者。
相信每一位读者在阅读这一本本学术著作的时候,在吸取学术创新成果、享受学术之美的同时,能够将其中所蕴含的科学理性精神和学术奉献精神传播和发扬出去。
清华大学研究生院院长2018年1月5日导师序言低维材料及其界面的热输运机制与模型研究
导师序言
伴随着微纳米技术制造与加工技术的发展,微纳电子工业、生物工程、航天航空工业等领域的关键材料与器件特征尺寸进入微纳米尺度,而逐渐提高的功率密度使得其热管理成为相关领域应用的巨大挑战。碳纳米管、石墨烯等低维材料具有独特的热学、电学及力学等性质,在前述领域有广泛的应用前景;但低维特性使其热输运机理不同于三维体相材料,且因其散热性能由界面主导,需开展相关研究,为微纳米材料与器件的热管理与热设计提供可靠依据与新思路。
本书基于原子模拟与理论,分析研究了石墨烯、双层二氧化硅、单分子结、自组装单分子层等低维材料与结构的导热与散热机理,揭示了缺陷、无序度、界面对热输运过程的影响机制,建立了若干可用于低维材料、器件热设计的理论模型。全书内容分为四个方面:①面内缺陷对热流的散射机制与低维材料热导率的有效介质理论;②由结构无序引起的低维材料热流局域化与导热机制转变;③非共价界面的扩散式热输运机制与热设计模型;④分子结与分子链的导热机制与模型。上述关于低维材料及其界面的热输运机制与模型的研究为微纳米机械、电子、生物等器件的热管理、热设计、热调控技术提供了理论基础与设计参考。
本书作者为清华大学工程力学系的博士研究生,在博士研究生期间从事微纳米尺度的能量输运机制与模型的研究,在该领域发表了一些重要学术论文,其博士学位论文被评为2017年度清华大学优秀博士学位论文,因而有机会将论文内容凝练成专著。希望该书的出版对于从事微纳米材料与器件设计的学者和科研人员提供一定的参考。

 

 

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