氬納米薄膜熱傳導(dǎo)分子動(dòng)力學(xué)模擬.pdf

1、厚度在納米量級(jí)的薄膜作為功能組件和結(jié)構(gòu)單元廣泛應(yīng)用于納米技術(shù)、微電子與光電子技術(shù)等新興領(lǐng)域中，其導(dǎo)熱機(jī)理和導(dǎo)熱特性對(duì)于相關(guān)微器件與微結(jié)構(gòu)的熱設(shè)計(jì)、熱管理有著重要意義。納米薄膜具有不同于宏觀材料的熱力學(xué)性質(zhì)，通過實(shí)驗(yàn)手段直接進(jìn)行測(cè)量研究則由于試樣制備困難、儀器裝置復(fù)雜昂貴等多種困難而難以實(shí)施。本文采用分子動(dòng)力學(xué)（MD）方法，研究了FCC結(jié)構(gòu)的氬[001]納米薄膜的熱力學(xué)性質(zhì)如熱導(dǎo)率、定容比熱等，并探討了快速加熱（飛秒激光加熱）在介質(zhì)中的傳

2、播機(jī)理。本課題著重分析了熱傳導(dǎo)過程的兩個(gè)效應(yīng)：尺度效應(yīng)和熱波效應(yīng)。
　　首先采用了平衡分子動(dòng)力學(xué)(EMD)的方法對(duì)氬納米薄膜的熱導(dǎo)率進(jìn)行了模擬。模擬結(jié)果顯示，x,y,z三個(gè)方向的熱導(dǎo)率隨著薄膜厚度的增加而遞減，存在明顯的尺寸效應(yīng)，并且厚度z方向上的熱導(dǎo)率受薄膜厚度影響更大；熱導(dǎo)率隨溫度的升高而遞減，與實(shí)驗(yàn)值的變化趨勢(shì)一致。采用三種不同的方法計(jì)算了聲子（晶格振動(dòng)）的弛豫時(shí)間，分析了熱導(dǎo)率的尺寸效應(yīng)的機(jī)理。
　　熱是以擴(kuò)散方式還

3、是以波動(dòng)方式傳播一直是人們關(guān)注的問題，熱波現(xiàn)象也是近幾十年的研究熱點(diǎn)。由于熱波的存在條件極為苛刻(時(shí)間和空間尺度都很小)，用常規(guī)的實(shí)驗(yàn)方法難以進(jìn)行研究，而分子動(dòng)力學(xué)方法能夠較方便地模擬研究遠(yuǎn)離平衡態(tài)的熱波問題。通過分子動(dòng)力學(xué)模擬可以看到，飛秒激光加熱過程中產(chǎn)生明顯的熱波，熱波的傳播速度是1464m/s。
　　燒蝕閾值在飛秒激光加熱時(shí)非常關(guān)鍵，因?yàn)槟芰髅芏仍跓g閾值附近時(shí)，材料表面加工質(zhì)量比較好。通過分子動(dòng)力學(xué)模擬，對(duì)不同厚度的薄膜