Submitted by Cássia Santos (cassia.bcufg@gmail.com) on 2014-07-31T12:16:56Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) Calculo_da_condutividade_termica_do_argonio_solido_puro_e_com_defeito_pontual.pdf: 283748 bytes, checksum: d7815053104cf5341740be05c829feff (MD5) / Made available in DSpace on 2014-07-31T12:16:57Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) Calculo_da_condutividade_termica_do_argonio_solido_puro_e_com_defeito_pontual.pdf: 283748 bytes, checksum: d7815053104cf5341740be05c829feff (MD5) Previous issue date: 2008-03-14 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / In this work, using the Green-Kubo method combined with Molecular Dynamic (DM), we calculate the thermal conductivity of a solid Argon "free of defects"and with point defect present, for temperatures varying from 10 up to 60 K at density 22,3 ml/mol. The obtained results are in good agreement with the available theoretical and experimental results in the limites of low and high temperatures, but with some discrepances in about 15 % for intermediate values of temperatures. The purpose to include point defects with the objective of correction of the simulational results to compare with experimental measuremments for intermediate temperatues had not the expected e?ect. However, we believe that it should be due to the fact that the density used in the simulation for the point defect is high based on the experimental estimates of point defect density in this system. Our results suggest that the Green-Kubo method combined with Molecular Dynamics is a powerful tool to calculate the thermal conductivity of solids at high temperatures. With the construction of accurate and reliable interatomic potentials to describe more complex materials, such as high temperature ceramic and minerals at extreme condiction of pressure and temperature, this method could soon become very useful to calculate thermal conductivity in materials where the access to experimental data is hard. / Neste trabalho, usando o método de Green-Kubo combinado com a Dinâmica Molecular (DM), calculamos a condutividade têrmica do Argônio sólido livre de defeitos ;e com defeitos pontuais presentes, para um intervalo de temperatura variando de 10 a 60 K e uma densidade de 22,3 ml/mol. Os resultados obtidos estão em pleno acordo com os resultados teóricos e experimentais disponíveis nos limites de baixa e alta temperatura, mas com alguma discrepância em torno de 15 % para valores intermediários de temperatura. A proposta para incluir defeitos pontuais com o objetivo de correção dos resultados da simulação para comparar com as medidas experimentais para temperaturas intermediárias não surtiu o efeito esperado, no entanto, acreditamos que isto se deve ao fato da densidade de defeitos ser alta baseado em estimativas da densidade de defeitos neste sistema. Nossos resultados sugerem que o método de Green-Kubo combinado com DM é uma ferramenta poderosa para se calcular a condutividade térmica de sólidos a altas temperaturas. Com a construção de potenciais interatômicos mais precisos e con fiáveis para descrever materiais mais complexos, como é o caso de cerâmicas a altas temperaturas e minerais em condições extrema de pressão e temperatura, esse método poderá em breve ser muito útil para calcular a condutividade térmica em materiais onde o acesso a dados experimentais é mais difícil.

L'équation de la chaleur est un phénomène macroscopique, émergeant après une limite d’échelle diffusive (en espace et en temps) d’un système d'oscillateurs couplés. Lorsque les interactions entre oscillateurs sont linéaires, l'énergie évolue de manière balistique, et la conductivité thermique est infinie. Certaines non-linéarités doivent donc apparaître au niveau microscopique, si l’on espère observer une diffusion normale. Pour apporter de l'ergodicité, on ajoute à la dynamique déterministe une perturbation stochastique qui conserve l'énergie. En premier lieu nous étudions la dynamique Hamiltonienne d'un système d'oscillateurs linéaires, perturbé par un bruit stochastique dégénéré conservatif. Ce dernier transforme à des temps aléatoires les vitesses en leurs opposées. On montre que l'évolution macroscopique du système est caractérisée par un système parabolique non-linéaire couplé pour les deux lois de conservation du modèle. Ensuite, nous supposons que les oscillateurs évoluent en environnement aléatoire. La perturbation stochastique est très dégénérée, et on prouve que le champ de fluctuations de l'énergie à l'équilibre converge vers un processus d'Ornstein-Uhlenbeck généralisé dirigé par l’équation de la chaleur.Il est désormais connu que les systèmes unidimensionnels présentent une diffusion anormale lorsque le moment total est conservé en plus de l'énergie. Dans une troisième partie, on considère deux perturbations, l'une préservant le moment, l'autre détruisant cette conservation. En faisant décroître l'intensité de la seconde perturbation, on observe une transition de phase entre un régime de diffusion normale et un régime de superdiffusion. / The heat equation is known to be a macroscopic phenomenon, emerging after a diffusive rescaling of space and time. In linear systems of interacting oscillators, the energy ballistically disperses and the thermal conductivity is infinite. Since the Fourier law is not valid for linear interactions, non-linearities in the microscopic dynamics are needed. In order to bring ergodicity to the system, we superpose a stochastic energy conserving perturbation to the underlying deterministic dynamics.In the first part we study the Hamiltonian dynamics of linear coupled oscillators, which are perturbed by a degenerate conservative stochastic noise. The latter flips the sign of the velocities at random times. The evolution yields two conservation laws (the energy and the length of the chain), and the macroscopic behavior is given by a non-linear parabolic system.Then, we suppose the harmonic oscillators to evolve in a random environment, in addition to be stochastically perturbed. The noise is very degenerate, and we prove a macroscopic behavior that holds at equilibrium: precisely, energy fluctuations at equilibrium evolve according to an infinite dimensional Ornstein-Uhlenbeck process driven by the linearized heat equation.Finally, anomalous behaviors have been observed for one-dimensional systems which preserve momentum in addition to the energy. In the third part, we consider two different perturbations, the first one preserving the momentum, and the second one destroying that new conservation law. When the intensity of the second noise is decreasing, we observe (in a suitable time scale) a phase transition between a regime of normal diffusion and a regime of super-diffusion.

The aim of this work has been to use atomistic computer simulation methods to calculate the thermal conductivity and investigate factors that will modify the behaviour when applied to three different oxide materials: MgO, SiO2 and SrTiO3. These were chosen as they represent distinct classes of materials and are substrates for thermoelectric devices, where one of the primary goals is to tailor the system to reduce the thermal conductivity. Chapter 1 introduces thermoelectric concepts, gives a background of the theory and a review of various important thermoelectric materials. In Chapter 2 an overview of the interatomic interactions is presented along with details on the implementation of these interactions in a simulation of a 3D periodic crystal. Chapter 3 outlines the importance of phonon processes in crystals and several approaches to the calculation of thermal conductivity are presented. MgO results are given in Chapter 4. Both the Green-Kubo and Boltzmann transport equation (BTE) methods of calculating thermal conductivity were used. The effect on thermal conductivity of two different grain boundary systems are then compared and finally extended to MgO nanostructures, thus identifying the role of surfaces and complex nanostructure architectures on thermal conductivity. In Chapter 5 two different materials with the formula unit SiO2 are considered. The two materials are quartz and silicalite which show interesting negative thermal expansion behaviour which may impact upon the thermal transport within the material. Chapter 6 presents results on the promising thermoelectric material STO. Once again the results from both Green-Kubo and BTE calculations are compared. Grain boundaries are also studied and the effect of inter-boundary distance and boundary type on the thermal conductivity is explored. Finally, a nanostructured STO system (assembled nanocubes) with promising thermoelectric applications is studied. Chapter 7 outlines the conclusions made from this work and suggests areas for future study.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第21551号 / 理博第4458号 / 新制||理||1640(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)教授 佐々 真一, 准教授 藤 定義, 准教授 荒木 武昭 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DGAM

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第18816号 / 理博第4074号 / 新制||理||1586(附属図書館) / 31767 / 京都大学大学院理学研究科化学専攻 / (主査)教授 長谷川 健, 准教授 安藤 耕司, 教授 林 重彦 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DGAM

The utilization of thermal fluctuations or Johnson/Nyquist noise as a spectroscopic method to determine transport properties in conductors or semiconductors is developed in this paper. The autocorrelation function is obtained from power spectral density measurements thus enabling electronic transport property calculation through the Green-Kubo formalism. This experimental approach is distinct from traditional numerical methods such as molecular dynamics simulations, which have been used to extract the autocorrelation function and directly related physics only. This work reports multi-transport property measurements consisting of the electronic relaxation time, resistivity, mobility, diffusion coefficient, electronic contribution to thermal conductivity and Lorenz number from experimental data. Double validation of the experiment was accomplished through the use of a standard reference material and a standard measurement method, i.e. four-probe collinear resistivity technique. The advantages to this new experimental technique include the elimination of any required thermal or potential gradients, multi-transport property measurements within one experiment, very low error and the ability to apply controlled boundary conditions while gathering data. This research has experimentally assessed the gas pressure and flow effects of helium and argon on 30 nm Au and Cu thin films. The results show a reduction in Au and Cu electronic thermal conductivity and electrical resistivity when subjected to helium and argon pressure and flow. The perturbed electronic transport coefficients, attributed to increased electron scattering at the surface, were so dominant that further data was collected through straight-forward resistance measurements. The resistance data confirmed the thermal noise measurements thus lending considerable evidence to the presence of thin film surface scattering due to elastic and inelastic gas particle scattering effects with the electron ensemble.

L'équation de la chaleur est un phénomène macroscopique, émergeant après une limite d'échelle diffusive (en espace et en temps) d'un système d'oscillateurs couplés. Lorsque les interactions entre oscillateurs sont linéaires, l'énergie évolue de manière balistique, et la conductivité thermique est infinie. Certaines non-linéarités doivent donc apparaître au niveau microscopique, si l'on espère observer une diffusion normale. Pour apporter de l'ergodicité, on ajoute à la dynamique déterministe une perturbation stochastique qui conserve l'énergie. En premier lieu nous étudions la dynamique Hamiltonienne d'un système d'oscillateurs linéaires, perturbé par un bruit stochastique dégénéré conservatif. Ce dernier transforme à des temps aléatoires les vitesses en leurs opposées. On montre que l'évolution macroscopique du système est caractérisée par un système parabolique non-linéaire couplé pour les deux lois de conservation du modèle. Ensuite, nous supposons que les oscillateurs évoluent en environnement aléatoire. La perturbation stochastique est très dégénérée, et on prouve que le champ de fluctuations de l'énergie à l'équilibre converge vers un processus d'Ornstein-Uhlenbeck généralisé dirigé par l'équation de la chaleur.Il est désormais connu que les systèmes unidimensionnels présentent une diffusion anormale lorsque le moment total est conservé en plus de l'énergie. Dans une troisième partie, on considère deux perturbations, l'une préservant le moment, l'autre détruisant cette conservation. En faisant décroître l'intensité de la seconde perturbation, on observe une transition de phase entre un régime de diffusion normale et un régime de superdiffusion.

Les propriétés physiques et thermodynamiques des métaux liquides dépendent de la structure électronique. La structure ionique est décrite soit par la fonction de corrélation de paires dans l'espace réel ou par le facteur de structure dans l'espace réciproque. Celui-ci est directement accessible par diffraction de neutrons ou de rayons X. Le formalisme du pseudopotentiel nous permet de construire le potentiel effectif interionique, ce dernier est utilisé dans la simulation par dynamique moléculaire pour étudier les propriétés statiques comme la structure atomique et les propriétés dynamiques comme la diffusion et la viscosité. Les calculs ont été faits pour l'étain liquide, pour les métaux nobles ainsi que pour leurs alliages constituant les soudures sans plomb. Nous décrivons dans le premier chapitre les différentes propriétés des métaux liquides. Dans le chapitre II, nous présentons le formalisme du pseudopotentiel et la méthode de simulation par dynamique moléculaire. Dans le chapitre III, nous testons d'abord différents pseudopotentiels sur l'étain liquide et nous prouvons que le pseudopotentiel de Shaw local est le seul qui décrit d'une manière correcte la structure atomique. On utilise ensuite ce potentiel pour déterminer le coefficient de diffusion à partir de la fonction d'autocorrélation de vitesse et de sa transformée de Fourier: la densité spectrale. La viscosité de cisaillement est enfin calculée, pour la première fois à notre connaissance, pour l'étain liquide en utilisant la formule de Green-Kubo par intégration de la fonction d'autocorrélation des contraintes. Il est aussi particulièrement difficile de décrire correctement les métaux nobles avec la théorie des pseudopotentiels. En effet leur densité d'états est influencée par leur bande d. Pour surmonter cette difficulté, nous associons le concept de valence effective au potentiel de Shaw local. Les facteurs de structure calculés en fonction de la température sont en très bon accord avec les valeurs expérimentales. L'adéquation du choix du pseudopotentiel est confirmée par les résultats des coefficients de diffusion et de viscosités de cisaillement. Les propriétés des métaux purs et des alliages (soudures sans plomb) calculées en fonction de la température sont en bon accord avec les valeurs expérimentales, prouvant que le pseudopotentiel est transférable aux alliages. Cela confirme notre choix initial du pseudopotentiel local de Shaw et l'introduction du concept de valence effective. Une bonne connaissance de la diffusion et de la viscosité est très importante d'un point de vue industriel pour comprendre les problèmes technologiques liés au mouillage des substrats par les soudures et à la formation d'intermétalliques entre les soudures et le substrat / The physical and thermodynamical properties of liquid metals depend on the electronic structure. The ionic structure is described either by the pair correlation function in real space or by the structure factor in reciprocal space which is directly accessible by neutrons or X rays diffraction measurements. Pseudopotential formalism allows us to construct an ionic effective potential. It is used in Molecular Dynamics simulation to study the static properties like the atomic structure and the dynamic ones like diffusion and viscosity. These calculations have been done for liquid tin, for noble metals and for theirs alloys forming lead-free solders. We first describe in chapter I the different properties of liquid metals. In chapter II we present the pseudopotential formalism and the Molecular Dynamics method. In chapter III we first test different pseudopotentials on liquid tin and we prove that the Shaw local model potential is the only one able to describe adequately the atomic structure. Then we used it to determine the diffusion coefficient from the velocity autocorrelation function and from its Fourier transform: the spectral density. Finally, we calculated, for the first time to our knowledge, the shear viscosity of liquid tin with Green-Kubo formula by integrating the stress autocorrelation function. It is also particularly difficult to describe correctly liquid noble metals with pseudopotentials since their density of states is influenced by their d band. To overcome this difficulty we associate the concept of effective valence (determined theoretically) to the Shaw local potential. The calculated structure factors as function of temperature are in a very good agreement with the experimental ones. The adequacy of the choice of our pseudopotential is confirmed by the results of diffusion coefficients and shear viscosities. The properties of pure metals and alloys (lead free solders) as function of temperature are in good agreement with experimental values proving that the Shaw local pseudopotential is transferable to alloys. This confirms our initial choice of pseudopotential and effective valence. Having a good knowledge of diffusion and viscosity is very important from an industrial point of view. Indeed, we need understanding technological problems linked to the wetting of a solder on a substrate and to the formation of intermetallics between the solder and the substrate