固体界面传热的分子动力学模拟

摘要

随着纳米技术、微电子技术的飞速发展,器件的尺寸进入了微／纳米尺度。微／纳器件形成微／纳机电系统(MEMS)的同时,也带来微／纳器件界面传热问题。微／纳结构间的热量输运过程与宏观尺度有很大差别,呈现出微几何尺度和微时间尺度效应。目前为止,还没有一个模型能够完全考虑界面声子传输的各种影响因素,理论仍不能完全解释实验数据和实验现象,界面传热的物理机理也不明晰。
　　 本文通过建立分子动力学模型,结合声子理论对纳米尺度下的界面热传导现象给予了分析和解释。采用非平衡态分子动力学方法模拟了固体异质薄膜材料添加过渡层后的热传导过程,研究了在不同温度、薄膜厚度、过渡层厚度等条件下薄膜导热系数及界面热阻的变化特性。结果表明,由于非弹性散射机制的影响,过渡层有效地降低了界面热阻,更有利于能量在界面处的传输；添加不同属性的过渡层,异质薄膜材料的导热系数均随温度的升高而增大,等效界面热阻随温度的升高而减小:随着膜厚的增加,异质薄膜导热系数明显增大,而等效热阻基本不变,并没有表现出尺寸效应。通过建立非对称界面接触模型,利用分子动力学方法研究了接触界面的接触面积和接触角对界面热传导的影响,同时讨论了系统的整流效应。结果表明,材料一侧截面A大小固定时,在另一侧截面B增大到与A相近的过程中,界面热阻急剧下降；继续增大截面积B,热阻趋向于一个固定值,系统的界面热阻取决于界面连接处的最小截面积。截面的不对称一定程度限制了声子的传输,但这种限制并没有表现出方向性。施加正反向热流,界面热阻或导热系数没有明显的差别,即不存在整流效应；不同接触角将影响系统的热传导性能,但界面热阻随温度变化的基本趋势一致,均随温度的升高而逐渐减小。当接触角增大时,界面热阻会有所下降。建立了单壁碳纳米管(SWCNT)与金刚石基体接触的分子动力学模型,模拟了SWCNT／金刚石复合材料的界面热传导,在不同SWCNT长度下,得到了SWCNT／金刚石系统导热系数以及SWCNT导热系数。结果表明,无论系统还是SWCNT的导热系数都随着SWCNT长度(系统长度)的增加而增大,并近似呈线性关系；当SWCNT足够长时,系统稳定后SWCNT会发生一定程度的弯曲,声子弹道输运比重降低,扩散输运渐渐占据主导作用,采用倒数拟合的方法求得系统在300K下的导热系数为505W／mK。进一步研究了SWCNT／金刚石复合材料的整流效应,结果表明,随着SWCNT长度的增加,SWCNT逐渐表现出明显的整流现象:正向热流时SWCNT导热系数大于反向热流时的结果,而整个系统并没有表现出明显的整流效应。