微尺度界面传热的模拟和实验研究

摘要

本文利用分子动力学模拟、实验测量手段并结合理论分析，研究了能量沿着界面和垂直于界面的输运机理，取得如下研究成果:
　　采用非平衡态分子动力学模拟方法研究了界面粗糙度对单层和双层薄膜导热系数的影响。对于单层薄膜，表面粗糙度的引入可以大大增强声子在边界的漫反射，降低薄膜的导热系数。对于双层薄膜，范德华界面粗糙度的引入会增强声子在界面的散射，进而强化了透射声子在双层薄膜热传导过程中的作用，使双层薄膜的导热系数有机会高于单层薄膜的导热系数。
　　基于分子动力学模拟方法，研究了碳管搭接方式、碳管层数、碳管轴向应力以及碳纳米管的空位缺陷和氢化对碳纳米管之间接触热导的影响。模拟结果显示碳管的搭接方式、碳管的层数以及碳管的轴向应力对碳管之间的界面热导有很大影响，特别是碳管之间的搭接方式可以使界面热导有数十倍的变化。
　　采用非平衡态分子动力学方法，模拟计算了多层石墨烯之间和硅薄膜之间的界面热导随薄膜厚度增长的变化趋势，比较了两种薄膜材料接触的界面热导尺寸效应。模拟结果显示，多层石墨烯之间的界面热导在厚度方向有显著的尺寸效应，随着厚度的增大，界面热导显著增大，而硅薄膜之间的界面热导随着厚度的增大没有明显变化。另外，根据声子辐射理论，采用各向异性的Debye模型，定义了界面热导尺寸效应强度，并计算了尺寸效应强度随薄膜厚度增长的变化趋势。计算结果显示，各向异性材料的声子聚焦效应对薄膜间界面热导的尺寸效应有很大影响。
　　采用时域瞬态热反射(time-domain thermoreflectance，TDTR)测量平台测得了Au/graphene/Au和Au/H-graphene/Au的界面热导，测量结果显示，石墨烯作氢化处理后，界面热导减小为原来的～50％。此外，本文还借助分子动力学模拟方法对实验结果进行了分析，模拟结果显示，在声子传输方面，石墨烯的氢化效应导致界面热导降低的百分比不超过30％。模拟结果和实验结果的差异表明声子以外的载流子对Au/graphene/Au界面热导也有不和忽略的贡献。在此基础上本文采用TDTR方法测量了SiO2基底下Au/graphene/SiO2和Au/H-graphene/SiO2的界面热导，通过对测量结果进行分析，发现电子对Au/graphene/Au界面热导的贡献占总热导的～50％。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 微电子器件的热管理

1．1 2 热电系数的优化

1．1．3 小结

1．2 声子传输基本理论

1．2．1 晶格振动—声子

1．2．2 声子的本征散射

1．2．3 声子的边界散射

1．2．4 小结

1．3 界面热阻模型

1．3．1 声学失配模型AMM

1．3．2 散射失配模型DMM

1．3．3 小结

1．4 本文框架

第二章 模拟和实验研究方法简介

2．1 分子动力学模拟

2．1．1 周期性边界条件

2．1．2 周期性边界的尺寸选择

2．1．3 热源和热沉的调温方法

2．2 TDTR实验方法

2．2．1 TTR方法的发展

2．2．2 TTR方法中脉冲激光的吸收和能量的传播过程

2．2．3 探测光信号与金属膜温度的关系

2．2．4 系统搭建

2．2．5 理论模型

2．2．6 锁相放大器得到的响应信号

2．2．7 灵敏度分析

2．3 本章小结

第三章 声子沿双层薄膜间界面平面方向的传输

3．1 研究背景

3．2 表面粗糙度对声子在单层硅薄膜中输运的影响

3．2．1 分子动力学模型

3．2．2 模拟结果与讨论

3．3 界面粗糙度对声子在双层硅薄膜中输运的影响

3．3．1 分子动力学模型

3．3．2 模拟结果与讨论

3．4 本章小结

第四章 声子沿碳纳米管间接触界面法向的传输

4．1 研究背景

4．2 碳管搭接方式对接触热导的影响

4．2．1 分子动力学模型

4．2．2 模拟结果与讨论

4．3 碳管层数对接触热导的影响

4．4 单壁碳管轴向应力对接触热导的影响

4．4．1 分子动力学模型

4．4．2 模拟结果与讨论

4．5 本章小结

第五章 声子沿薄膜间接触界面法向传输的尺寸效应

5．1 研究背景

5．2 分子动力学模型

5．3 模拟结果与分析

5．4 本章小结

第六章 声子在Au／(H-)graphene／Au界面法向热传导中的贡献

6．1 研究背景

6．2 Au／(H-)graphene／Au界面热导的测量和模拟

6．2．1 TDTR测量

6．2．2 分子动力学模拟

6．2．3 分析与讨论

6．3 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文