纳米薄膜法向导热系数分子动力学研究

摘要

随着微电子、光电子、MEMS和纳米科技的兴起与发展，薄膜材料被越来越广泛地应用于工业生产和生活中，成为各微型器件的重要组件。薄膜材料的导热特性严重影响着器件和系统运行的稳定性和可靠性，开展薄膜材料导热规律和热物性参数的研究对发展多种电子器件具有重要意义。纳米薄膜等微结构导热规律和热物性的研究可分为实验研究、理论研究和计算机模拟三类。目前，对于厚度为1～100nm的纳米薄膜，导热系数等热物性的测试非常困难，在该尺度下，基于分子动力学理论的计算机模拟成为有效的研究方法。SiO2薄膜材料因其优良的电绝缘性和工艺可行性，而广泛应用于微电子工业中，其导热性能的研究意义深远。本文采用分子动力学模拟方法，对SiO2纳米薄膜的法向导热系数进行了研究。
　　 本文首先阐述了微细尺度传热学的产生，介绍了纳米薄膜导热的尺度效应，并对纳米薄膜导热的相关研究进行了归纳。介绍了分子动力学的基本原理和模拟方法，并对比讨论了各种方法的适用性。最终确定采用分子动力学模拟研究纳米薄膜导热系数的可靠方案。
　　 为保证结果的可靠性，本文首先采用分子动力学模拟研究了Lennard-Jones势大体积固体Ar和固体Ar纳米薄膜垂直膜平面方向的导热系数。大体积固体Ar导热系数的模拟采用Green-Kubo平衡分子动力学方法，固体Ar纳米薄膜法向导热系数的模拟采用施加温度梯度的非平衡分子动力学方法。固体Ar及其纳米薄膜导热系数的分子动力学模拟结果与文献结果吻合较好，证明了本文分子动力学模拟方案的可靠性。
　　 本文采用非平衡分子动力学模拟方法分别研究了晶体和非晶体SiO2纳米薄膜的法向导热系数。模拟结果表明：SiO2纳米薄膜法向导热系数小于其体态材料的导热系数值，导热系数对薄膜厚度依赖性很强，具有显著的尺寸效应；在本文模拟所研究的厚度和温度范围内，方石英晶体SiO2纳米薄膜的法向导热系数高于非晶体SiO2的，且非晶体SiO2，纳米薄膜和晶体SiO2纳米薄膜的法向导热系数具有不同的温度和厚度依赖性，这表明纳米薄膜导热系数的尺寸效应来源于薄膜厚度和晶粒形貌两方面。