硅晶體及硅納米線導(dǎo)熱系數(shù)的分子動力學(xué)模擬.pdf

1、微米、納米量級微結(jié)構(gòu)材料如納米線、超晶格是集成芯片、量子阱激光器、微機電系統(tǒng)的重要組件。微結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱特性影響著器件和系統(tǒng)的運行性能與可靠性，因此分析微結(jié)構(gòu)材料的熱傳導(dǎo)性能對于器件的設(shè)計和穩(wěn)定運行具有重要意義。 本文闡述了材料微型化的進(jìn)程，介紹了熱電制冷原理，對微尺度傳熱的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分類和概括。討論了分子動力學(xué)模擬方法的基本原理和詳細(xì)步驟，對各種分子動力學(xué)方法的分類和運用場合進(jìn)行了說明。 在此基礎(chǔ)上，采用基于Gree-K

2、ubo方程的平衡態(tài)分子動力學(xué)方法模擬了單晶硅在400～1400k溫度區(qū)間內(nèi)的導(dǎo)熱系數(shù)，給出了硅在Debye溫度以下經(jīng)典分子動力學(xué)模擬所需要的量子化修正曲線，并考慮了熱膨脹、同位素雜質(zhì)、空穴對其導(dǎo)熱系數(shù)的影響。模擬中使用不同溫度下的晶格常數(shù)計算了熱膨脹對熱傳導(dǎo)系數(shù)的影響，仿真結(jié)果表明考慮熱膨脹后硅晶體的導(dǎo)熱系數(shù)同溫度的1.1693次方成反比，且均低于未考慮熱膨脹時的結(jié)果；含有同位素雜質(zhì)(<'29>Si)的硅晶體的導(dǎo)熱系數(shù)要低于純凈晶體的導(dǎo)

3、熱系數(shù)，且隨著摻雜濃度的增大，導(dǎo)熱系數(shù)也隨之下降，但在溫度較高時，雜質(zhì)對熱傳導(dǎo)系數(shù)的影響很小；模擬結(jié)果還顯示當(dāng)硅晶體中含有空穴時，其熱傳導(dǎo)系數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于純凈硅的導(dǎo)熱系數(shù)，且其對熱傳導(dǎo)性能的影響大于同位素雜質(zhì)對熱傳導(dǎo)性能的影響。 采用非平衡態(tài)分子動力學(xué)方法模擬了硅納米線的熱傳導(dǎo)性能，并對其主要影響因素作了分析。模擬結(jié)果表明，在相同的溫度區(qū)間(800-1500k)內(nèi)截面形狀為正方形的納米線的導(dǎo)熱系數(shù)要比體態(tài)硅小兩個量級，且隨著溫度的

4、上升，導(dǎo)熱系數(shù)隨之下降；當(dāng)模擬溫度固定時，導(dǎo)熱系數(shù)隨著納米線長度的增加而增加，并趨于一個收斂值；同時當(dāng)納米線的截面面積增加時，導(dǎo)熱系數(shù)也隨之增加。當(dāng)納米線表面存在缺陷時，其熱傳導(dǎo)系數(shù)小于無缺陷納米線的值。 對超晶格薄膜導(dǎo)熱系數(shù)的非平衡態(tài)分子動力學(xué)模擬結(jié)果表明：導(dǎo)熱系數(shù)和材料原子之間的質(zhì)量比m<,2>/m<,1>、勢阱常數(shù)比ε<,1>/ε<,2>有關(guān)；薄膜厚度對導(dǎo)熱系數(shù)的影響很小；當(dāng)晶格失配時，導(dǎo)熱系數(shù)隨著周期長度增加而增加。