硅纳米线导热系数的分子动力学模拟

摘要

近几年，随着半导体行业的快速发展，硅纳米线由于其优良的机械性能和电学性质，得到了广泛应用。本文使用非平衡态分子动力学方法对硅纳米线的导热系数进行了研究，原子间采用Stillinger-Weber(SW)作用势，讨论了不同温度、长度及横截面积下导热系数的变化，并且比较了微观表达式法和加减能量法两种不同的热流计算方法。结果表明，两种热流计算方法对尺寸较小的纳米线导热系数影响较小，当纳米线尺寸增大时，加减能量法更加稳定;当纳米线尺寸较小时，导热系数随模拟温度升高而减小，然而，随着纳米线的尺寸继续增大，导热系数会出现先降低后增大的趋势;纳米线导热系数随纳米线长度增加而增大，然后趋于稳定;纳米线导热系数随模拟横截面积增加而增大，随着温度增加，增大的趋势减小，并且在纳米线尺寸较小时，更为突出。
　　硅纳米线比大部分硅相关材料拥有更好的热电性能，并且通过杂质掺杂等方式，可以进一步增强纳米线的热电效率。基于前期工作，分别研究了单层掺杂、集中掺杂、随机掺杂、均匀掺杂、不均匀掺杂和立方体掺杂六种不同几何排布方式对硅纳米线导热特性的影响。分析表明，掺入杂质锗后降低了硅纳米线的导热系数，并且随着温度的增加而降低，但是在高温时，导热系数变化减缓并趋于平稳。同时发现，纳米线横截面积和长度对导热系数仍有影响;掺杂浓度对纳米线导热系数也有影响，当掺杂浓度较小时，导热系数明显降低，在随机掺杂中当杂质锗的浓度为3.52％时，导热系数降低近50％;掺杂后纳米线的导热系数随着纳米线尺寸的增加而增加，当硅纳米线尺寸较大时，锗掺杂对纳米线导热系数的影响更为显著。结合经典的Callaway模型，结果表明不同的杂质排布方式导致硅纳米线的导热系数不同。杂质排布的越不均匀，对导热系数的影响越大，所以集中掺杂方式对导热系数的影响最小，对于尺寸相对较小的纳米线，不均匀掺杂方式导热系数最小，而对于尺寸较大的纳米线，均匀掺杂方式导热系数最小，这是因为此时声子-界面散射和多次散射的作用增强。硅纳米线的热电性能可以通过掺杂等方式进一步的提升，这为新型的热电设备研究提供了设计方向。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 相关理论概述

1．2．1 微／纳结构中的热电效应理论

1．2．2 性能系数和品质因数

1．2．3 量子尺寸效应：量子限制效应

1．2．4 经典的尺寸效应：声子边界散射

1．3 国内外研究现状

1．3．1 实验方法研究现状

1．3．2 理论方法研究现状

1．3．3 使用分子动力学方法的研究现状

1．3．4 杂质、缺陷等对纳米线导热系数的影响

1．4 课题来源与研究内容介绍

第二章 分子动力学模拟方法

2．1 分子动力学方法介绍

2．1．1 分子动力学与其他模拟方法的比较

2．1．2 平衡态分子动力学和非平衡态分子动力学

2．2 分子动力学模拟的主要步骤

2．2．1 确定研究对象

2．2．2 系统的初始化

2．2．3 无量纲化过程

2．2．4 选择合适的势能模型

2．2．5 分子运动方程的建立及求解

2．2．6 周期性边界条件

2．2．7 位能截断

2．2．8 温度调节

2．2．9 邻居列表的处理

2．3 并行计算简介

2．3．1 算法组织

2．3．2 并行程序实现的方法

2．3．3 分子动力学模拟的一般步骤

2．4 本章小结

第三章 单根硅纳米线的导热系数研究

3．1 引言

3．2 硅纳米线分子动力学模拟简介

3．2．1 硅晶体的晶格结构

3．2．2 硅纳米线的分子动力学模型

3．2．3 Stillinger-Weber作用势

3．2．4 热流的计算

3．2．5 导热系数的计算

3．3 模拟结果和讨论

3．4 本章小结

第四章 掺杂对单根纳米线导热系数的影响

4．1 引言

4．2 掺杂对硅纳米线导热系数影响的分子动力学方法概述

4．3 Callaway模型

4．4 模拟结果与讨论

4．4．1 单层掺杂对硅纳米线导热系数影响

4．4．2 五种杂质分布方式下导热系数的计算

4．4．3 不同掺杂方式下的结果讨论

4．4．4 NEMD模拟结果与Callaway模型结果的比较

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的学术论文