固體薄膜導(dǎo)熱系數(shù)的分子動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、隨著物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、液相外延、分子束外延、激光切割等技術(shù)的日益成熟,固體薄膜材料作為簡(jiǎn)單的納米二維結(jié)構(gòu),已經(jīng)在大規(guī)模集成電路以及微機(jī)電器件中得到廣泛應(yīng)用。因此,固體薄膜材料熱學(xué)性質(zhì)的研究對(duì)于保障器件工作的高效性以及穩(wěn)定性有著極其重要的意義。
　　 本文以硅晶體為研究材料,采用平衡態(tài)分子動(dòng)力學(xué)模擬與理論計(jì)算相結(jié)合的方法,探討了傳統(tǒng)量子化修正方案的可靠性。研究表明,傳統(tǒng)量子化修正方法中根據(jù)熱流相等的假設(shè)進(jìn)行的導(dǎo)熱系數(shù)修正

2、在低溫區(qū)域可能不再適用。在此基礎(chǔ)上,提出了新的導(dǎo)熱系數(shù)量子化修正方法。使用該方法修正后,模擬得到不同成分組成的體態(tài)硅的導(dǎo)熱系數(shù)在200～1000K溫度范圍內(nèi)與Holland理論模型預(yù)測(cè)值和實(shí)驗(yàn)值均吻合較好。同時(shí),采用非平衡態(tài)分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了硅／鍺薄膜的界面導(dǎo)熱性能。研究表明,在400～900K溫度范圍內(nèi),界面處出現(xiàn)一定厚度的原子互滲區(qū)域有助于降低硅／鍺薄膜直接接觸時(shí)的失配度,從而提高系統(tǒng)的導(dǎo)熱系數(shù)；溫度為400K時(shí),當(dāng)互滲厚度大于2

3、個(gè)元胞時(shí),由于硅鍺互滲形成的合金層導(dǎo)熱性能明顯小于硅／鍺薄膜,系統(tǒng)的導(dǎo)熱系數(shù)出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。以硅基底上的石墨烯納米帶為研究對(duì)象,探討了受限石墨烯納米帶的導(dǎo)熱性能。結(jié)果表明,由于接觸區(qū)域分子間的相互作用,石墨烯納米帶中的一部分熱流會(huì)沿著接觸界面的法向向硅基底中滲透；基底材料對(duì)石墨烯納米帶的作用力會(huì)限制石墨烯納米帶中熱流傳播方向上聲子的振動(dòng),從而導(dǎo)致石墨烯納米帶的導(dǎo)熱系數(shù)減小。此外,石墨烯納米帶的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)基底的表面狀態(tài)非常敏感,當(dāng)基底表面