铝硅界面热导的分子动力学模拟计算与理论模型研究

摘要

随着纳米材料的合成和处理的快速发展，加深对于纳米尺度下的界面热输运性质的理解是研究者们非常关注的一个问题。在过去几十年里，研究者们已经对界面热输运问题进行了大量的理论和实验研究。在本文中，选取了Al/Si超晶格结构来研究界面传热的相关特性。利用非平衡分子动力学，创建了具有不同界面缺陷的Al/Si界面结构。通过移除界面处的部分Al原子和Si原子创建出圆柱形凸起或凹陷的界面结构。计算得到的界面热导结果表明，随着界面处缺陷面积的增加，界面热导随之减小。同时，界面缺陷结构使得界面热阻与系统长度倒数之间的线性依赖关系不复存在，也就是说，当存在界面缺陷时，线性外推法则对系统不再适用。此外，由于Al是一种比Si更软的材料，当缺陷在Al界面处时，经过弛豫之后的界面结构的接触面积要大于缺陷在Si界面上的情况，从而得到的界面热导值也更大。
　　在理论方面，声学失配模型和漫散射失配模型是两种用于预测界面热导的传统理论模型。然而，原始的声学失配模型和漫散射失配模型分别假设声子在界面全部镜面透射或者漫散射透射，只适用于界面完全光滑或者完全粗糙的情况。因此，建立一个能够预测任意界面粗糙度的结构的界面热导是非常重要的。在本文中，我们提出了一个新的理论模型——混合失配模型。该模型将镜面透射和漫散射透射均考虑入内，且其镜面透射系数是通过界面声子态密度所确定的。由于混合失配模型的声子透射率与界面态密切相关，因此该模型适用于任意界面结构的界面热导。计算结果表明，与原始的理论模型相比，混合失配模型预测得到的界面热导值与分子动力学结果和实验值更加接近。

目录

声明

1 绪论

1.1 纳米尺度传热的研究背景和内容

1.2 界面在纳米材料传热中的研究背景和内容

1.3 论文主要内容

2 铝硅超晶格界面热传输研究的方法介绍

2.1分子动力学模拟

2.2晶格动力学模拟简介

2.3 本章小结

3 界面缺陷对铝硅超晶格界面传热的影响

3.1 铝硅超晶格的非平衡分子动力学模拟

3.2 界面缺陷对界面传热的影响

3.3 本章小结

4 铝硅界面热导理论模型研究

4.1 传统理论模型

4.2 混合失配模型的建立

4.3 模型计算细节

4.4 混合失配模型的计算结果和分析

4.5 本章小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 不足与展望

致谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间发表的主要论文