受限硅納米線熱導(dǎo)率的分子動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、硅是一種常見的半導(dǎo)體工業(yè)材料,它是現(xiàn)代電子、計(jì)算機(jī)工業(yè)的基石,也是微機(jī)電系統(tǒng)器件的主要原材料。然而,體態(tài)硅的導(dǎo)熱系數(shù)較大,而導(dǎo)電系數(shù)又比較小,因此其熱電材料的品質(zhì)因數(shù)(ZT)也比較小,低維效應(yīng)可以有效降低材料的熱導(dǎo)率,從而提高ZT值。一維硅納米線相對(duì)于體態(tài)硅具有較小的熱導(dǎo)率,因此研究硅納米線的熱導(dǎo)率對(duì)于提高ZT值具有重要的意義。本文采用分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法對(duì)硅納米線熱傳導(dǎo)進(jìn)行了探討。
　　 采用非平衡態(tài)分子動(dòng)力學(xué)方法研究了硅納米

2、線平放在基底上的軸向熱導(dǎo)率,結(jié)果表明,基底的存在降低了硅納米線的熱導(dǎo)率,且隨著溫度升高,硅納米線的熱導(dǎo)率逐漸降低。通過(guò)改變硅納米線與基底之間的范德華作用力強(qiáng)度,研究了基底約束對(duì)硅納米線熱導(dǎo)率的影響,在模擬尺寸范圍內(nèi),結(jié)果表明,隨著作用力強(qiáng)度的增加,納米線熱導(dǎo)率逐漸減??；基底維數(shù)的降低能進(jìn)一步減小硅納米線的熱導(dǎo)率。
　　 采用非平衡態(tài)分子動(dòng)力學(xué)方法模擬了兩根硅納米線之間的接觸熱阻隨溫度、接觸長(zhǎng)度、接觸強(qiáng)度、接觸間隙及施加外力的變化

3、關(guān)系。結(jié)果表明,單位面積的接觸熱阻在常溫下約為10－9m2K／W。界面處的接觸熱阻隨溫度的升高和接觸長(zhǎng)度的增大而減小。界面處接觸強(qiáng)度增大,接觸熱阻減小。通過(guò)改變納米線之間的接觸間隙可以驗(yàn)證接觸熱阻隨接觸強(qiáng)度變化關(guān)系,距離越大,接觸強(qiáng)度越小,因此接觸熱阻也越大。在非對(duì)稱外力作用下,接觸熱阻隨外力的增大而增大,而在對(duì)稱外力作用下,接觸熱阻隨拉力的增大而增大,隨壓力的增大而減小。
　　 以Si和Ge為例,研究了徑向異質(zhì)結(jié)構(gòu)的Core／

4、Shell納米線。結(jié)果表明,無(wú)論Core與Shell采用Stillinger-Weber勢(shì)還是Lennard-Jones勢(shì)作用,Core／Shell異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線的熱導(dǎo)率均小于純Si和純Ge納米線的熱導(dǎo)率。Core／Shell異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線的構(gòu)造結(jié)構(gòu)對(duì)熱導(dǎo)率的影響較大,異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線的熱導(dǎo)率隨著Core所占比例的減小而減小。
　　 研究了表面粗糙度對(duì)硅納米線熱導(dǎo)率的影響,結(jié)果證明了通過(guò)提高硅納米線的表面粗糙度來(lái)降低硅納米線熱導(dǎo)率