微型气体传感器中SnO薄膜特性的计算机模拟

摘要

制作微型化的气体传感器是MEMS应用的主要领域之一.半导体气敏传感器,是当前MEMS气敏传感器的主流.其中使用最多的气敏材料是二氧化锡(SnO<,2>).已有的研究很重视气敏特性的测量以及不同的工艺过程对薄膜微观结构特性的影响和气敏特性的联系,但在基础研究工作方面却进展缓慢.MEMS中大量使用薄膜材料,厚度可达微米、亚微米地至纳米量级.在这个尺度上,材料的特性与宏观情况下是不同的.而在这样小的微器件中关于热的问题不可忽略.分子动力学模拟和量子力学从头算方法是研究微观世界的有效方法.Matiarial Studio<'TM>软件是Accelrys公司开发的专门用于分子模拟的软件,该文在计算中采用该软件作为模拟平台.论文以SnO<,2>气敏薄膜(颗粒)作为研究对象,利用分子动力学模拟方法计算微尺度下的SnO<,2>薄膜(颗粒)的热容.首先计算了在几百nm厚度的薄膜热容,然后继续缩小薄膜的尺寸,研究了nm级颗粒的热容情况.计算结果表明,在微观尺度下的热容,数值不再是一常量,是尺度的函数;微尺度下SnO<,2>材料的热容比体材料的热容值大;纳米材料的热容与纳米颗粒之间的距离有一定关系.在第四章利用固体能带理论中的密度泛函理论对SnO<,2>的能带结构进行了求解,并对掺杂前和掺杂(Sb)后电子分布的情况进行了计算.

目录

文摘

英文文摘

1绪论

1.1微尺度热传输概述

1.2研究热传输现象的经典理论和方法

1.2.1傅立叶分析

1.2.2实验传热学

1.2.3数值求解

1.3微尺度热传输现象的研究现状

1.3.1微电子器件中的热传输现象

1.3.2微尺度热传输研究中的实验技术

1.3.3微尺度热传输研究中的数值模拟

1.4课题研究

2分子动力学模拟方法及分子模拟软件

2.1分子动力学简介

2.2平衡态分子动力学模拟

2.2.1基本方程

2.2.2运动方程求解方法

2.2.2作用力的计算

2.2.4周期性边界条件

2.2.5初始条件

2.2.5标度因子

2.3势函数

2.4时间关联函数

2.4.1时间关联函数定义

2.4.2求解方法

2.5非平衡态分子动力学方法

2.6分子模拟软件Materials StudioTM

2.6.1 Materials Studio软件的主要技术特点

2.6.2模块功能和使用介绍

3SnO2热性质的分子动力学模拟

3.1 SnO2薄膜的热容

3.2纳米颗粒的热容

3.3纳米颗粒之间的距离对薄膜热容的影响

3.4薄膜的分子动力学运动

4SnO2能带和电子结构的量子计算

4.1固体能带理论的基本原理

4.2密度泛函理论

4.3计算结果

5结论

参考文献

攻读硕士期间发表的论文和获奖情况

致 谢

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