硅晶体及硅纳米线导热系数的分子动力学模拟

摘要

微米、纳米量级微结构材料如纳米线、超晶格是集成芯片、量子阱激光器、微机电系统的重要组件。微结构导热特性影响着器件和系统的运行性能与可靠性，因此分析微结构材料的热传导性能对于器件的设计和稳定运行具有重要意义。 本文阐述了材料微型化的进程，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，对各种分子动力学方法的分类和运用场合进行了说明。 在此基础上，采用基于Gree-Kubo方程的平衡态分子动力学方法模拟了单晶硅在400～1400k温度区间内的导热系数，给出了硅在Debye温度以下经典分子动力学模拟所需要的量子化修正曲线，并考虑了热膨胀、同位素杂质、空穴对其导热系数的影响。模拟中使用不同温度下的晶格常数计算了热膨胀对热传导系数的影响，仿真结果表明考虑热膨胀后硅晶体的导热系数同温度的1.1693次方成反比，且均低于未考虑热膨胀时的结果；含有同位素杂质(<'29>Si)的硅晶体的导热系数要低于纯净晶体的导热系数，且随着掺杂浓度的增大，导热系数也随之下降，但在温度较高时，杂质对热传导系数的影响很小；模拟结果还显示当硅晶体中含有空穴时，其热传导系数要远远低于纯净硅的导热系数，且其对热传导性能的影响大于同位素杂质对热传导性能的影响。 采用非平衡态分子动力学方法模拟了硅纳米线的热传导性能，并对其主要影响因素作了分析。模拟结果表明，在相同的温度区间(800-1500k)内截面形状为正方形的纳米线的导热系数要比体态硅小两个量级，且随着温度的上升，导热系数随之下降；当模拟温度固定时，导热系数随着纳米线长度的增加而增加，并趋于一个收敛值；同时当纳米线的截面面积增加时，导热系数也随之增加。当纳米线表面存在缺陷时，其热传导系数小于无缺陷纳米线的值。 对超晶格薄膜导热系数的非平衡态分子动力学模拟结果表明：导热系数和材料原子之间的质量比m<,2>/m<,1>、势阱常数比ε<,1>/ε<,2>有关；薄膜厚度对导热系数的影响很小；当晶格失配时，导热系数随着周期长度增加而增加。 最后，介绍了3ω方法的原理和实验过程，对体态硅的导热系数进行了测量，并给出了一些实验结果。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1研究背景

1.1.1微型化进程和趋势

1.1.2热电制冷的原理和应用

1.2微尺度传热研究现状

1.2.1体态材料

1.2.2纳米线和纳米碳管

1.2.3薄膜及超晶格薄膜

1.3课题来源与主要研究内容

第二章分子动力学模拟方法

2.1分子动力学方法简介

2.2分子动力学模拟的基本步骤

2.3热导率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方法

2.4分子动力学程序流程

第三章硅晶体导热系数的分子动力学模拟

3.1前言

3.2模拟模型

3.3 Si势能函数和受力关系

3.4热导率的计算

3.5无量纲化过程

3.6量子化修正

3.7正则系综的实现

3.8模拟结果和分析

3.9本章小结

第四章硅纳米线导热系数的分子动力学模拟

4.1前言

4.2硅纳米线模拟模型及模拟参数

4.3晶体的势能函数和受力关系

4.4模拟条件

4.5仿真结果

4.6本章小结

第五章超晶格薄膜热传导的分子动力学模拟

5.1前言

5.2超晶格的构造和模拟参数

5.3模拟的条件

5.4系统热导率的计算

5.5仿真结果与分析

5.6本章小结

第六章体态硅导热系数测量

6.1前言

6.2测量方法和测量系统

6.2.1体态导热系数的3ω测试原理

6.2.2测试系统

6.2.3试样的制作

6.3实验结果

6.3.1 dR/dT的确定

6.3.2体态硅的导热系数

6.3.3杂质对体态硅导热系数的影响

6.4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

作者在攻读硕士期间发表论文的情况