纳米薄膜导热系数的分子动力学模拟

摘要

本文阐述了材料微型化的进程，结合应用实例介绍了热电制冷原理，对微尺度传热的研究现状进行了分类和概括。讨论了分子动力学模拟方法的基本原理和详细步骤，对各种分子动力学模拟方法的分类和运用场合进行了说明，建立了导热系数的分子动力学模拟模型。在此基础上，以纳米薄膜模型为研究对象，通过非平衡态分子动力学模拟，分析了截面大小、势能截断半径、边界条件等参数对模拟结果的影响。使用非平衡态分子动力学模拟方法得到了理想氩晶体纳米薄膜及含缺陷氩晶体纳米薄膜的法向和面向导热系数。模拟结果表明：体系平均温度T<,a>和掺杂浓度对法向导热系数存在显著的影响。在同一掺杂浓度下，随体系T<,a>的升高，法向导热系数下降。较低温度下，随掺杂浓度升高，法向导热系数下降，但在较高温度T<,a>(60k，40k)下，掺杂浓度对导热系数影响很小，此时，声子间的U散射是纳米薄膜热阻产生的主要原因。比较氩晶体纳米薄膜中不同掺杂时导热系数大小，发现同样掺杂浓度条件下，掺空穴时材料导热系数比掺氪时低，说明掺杂时由于晶格不匹配引起的声子散射比不同质量引起的散射更重要。面向导热系数的模拟结果表明，面向导热系数随膜厚不断增加，趋向于一定值，具有显著的尺寸效应，且所选取的模拟单元截面的大小对模拟结果也会产生一定的影响。同法向导热系数相似，随体系T<,a>温度升高和掺杂浓度的升高，纳米薄膜面向导热系数降低，其机理与法向导热系数相同。结合Callaway理论模型的分析结果表明，由杂质引起的晶格畸变是含杂质晶体纳米薄膜导热系数下降的主要原因。

目录

文摘

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声明

第一章绪论

1.1研究背景

1.1.1纳米科技和纳米材料

1.1.2微型化进程和趋势

1.1.3热电制冷的原理和应用

1.2微米/纳米尺度传热介绍

1.2.1微米/纳米尺度传热学的研究背景

1.2.2微米/纳米尺度传热中的微尺度效应

1.2.3微米/纳米尺度传热学的研究方法

1.2.4微米/纳米尺度传热学的研究进展

1.3薄膜的导热系数研究

1.4课题意义与主要研究内容

第二章导热系数的分子动力学模拟模型的构建

2.1前言

2.2分子动力学模拟方法简介

2.3导热系数的分子动力学模拟方法

2.3.1平衡态分子动力学模拟方法

2.3.2非平衡态分子动力学模拟方法

2.4纳米薄膜导热系数的NEMD模拟方案与选择

2.5纳米薄膜导热系数分子动力学模拟模型的构建

2.5.1确定研究对象—纳米薄膜

2.5.2原子的位置和速度初始化

2.5.3纳米薄膜模拟参数的无量纲化

2.5.4势能模型—原子间作用力和加速度

2.5.5分子运动方程的建立

2.5.6周期性边界条件

2.5.7势能截断半径

2.6量子化修正

2.7导热系数的计算

2.8实施模拟

2.9分子动力学模拟方法存在的问题

第三章纳米薄膜导热系数的分子动力学模拟

3.1前言

3.2分子动力学模拟模型与参数选择

3.3纳米薄膜法向导热系数的NEMD模拟

3.3.1分子动力学模拟参数的影响

3.3.2体系平均温度、薄膜厚度对纳米薄膜法向导热系数的影响

3.3.3掺杂对纳米薄膜法向导热系数的NEMD模拟结果的影响

3.4纳米薄膜面向导热系数的NEMD模拟

3.4.1纳米薄膜面向导热系数NEMD模拟的温度与热流统计

3.4.2薄膜厚度对纳米薄膜面向导热系数的影响

3.4.3含有空穴纳米薄膜面向导热系数的NEMD模拟

3.5本章小结

第四章结论与展望

4.1主要结论

4.2展望

附录

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文