碲化鉍熱電薄膜的熱傳導(dǎo)及力學(xué)性能的分子動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、近年來,隨著半導(dǎo)體器件的集成度越來越高,散熱問題變得尤為重要。Bi2Te3作為目前室溫區(qū)熱電性能最高的熱電材料,在器件散熱方面有著廣闊的應(yīng)用前景。熱電薄膜作為低維熱電材料,具有高于傳統(tǒng)材料的熱電性能,其制備工藝與半導(dǎo)體工藝兼容。熱電薄膜的熱導(dǎo)率和力學(xué)性能影響著其熱電性能及器件可靠性。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制,納米級(jí)薄膜的性能測試較為困難。分子動(dòng)力學(xué)模擬從原子尺度研究材料的性能,越來越多地應(yīng)用于材料的研究中。
　　本文通過分子動(dòng)力學(xué)模擬研

2、究納米級(jí)Bi2Te3薄膜的熱傳導(dǎo)性能與力學(xué)性能,探究半導(dǎo)體工業(yè)中常見的材料低維化、摻雜以及空位缺陷對(duì)材料的熱傳導(dǎo)以及力學(xué)性能的影響,為開發(fā)高性能熱電材料提供理論指導(dǎo)。
　　首先,根據(jù)Bi2Te3材料的結(jié)構(gòu)和成鍵方式擬合出可用于分子動(dòng)力學(xué)模擬的勢函數(shù),并對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明,勢參數(shù)可準(zhǔn)確反映Bi2Te3的成鍵特點(diǎn)。勢函數(shù)得到的晶格常數(shù)和徑向分布函數(shù)與實(shí)驗(yàn)值吻合較好,可準(zhǔn)確反映材料的結(jié)構(gòu)。勢函數(shù)得到的彈性常數(shù)與實(shí)驗(yàn)值偏差吻合較好,可

3、用于力學(xué)性能的模擬。勢函數(shù)得到的聲子譜和聲子態(tài)密度與實(shí)驗(yàn)值吻合較好,可用于熱傳導(dǎo)的模擬。同時(shí),勢函數(shù)計(jì)算結(jié)果表明,Bi2Te3薄膜具有同塊體相同的結(jié)構(gòu),并且具有明顯的表面效應(yīng)。
　　然后,分別計(jì)算了Bi2Te3薄膜的面向熱導(dǎo)率以及法向熱導(dǎo)率及其影響因素。采用量子修正對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了修正。結(jié)果表明,薄膜法向熱導(dǎo)率小于面向熱導(dǎo)率,且均小于塊體材料對(duì)應(yīng)方向的熱導(dǎo)率。面向熱導(dǎo)率計(jì)算結(jié)果受模型尺寸影響,需進(jìn)行擬合。薄膜熱導(dǎo)率隨著薄膜厚度增大

4、而增大并逐漸趨近塊體值,隨著工作溫度升高而下降。薄膜熱導(dǎo)率隨著摻雜濃度升高而下降,同一摻雜濃度下隨著摻雜原子質(zhì)量升高而下降。薄膜熱導(dǎo)率隨著空位濃度升高而下降。
　　最后,采用擬合得到的勢函數(shù)對(duì)Bi2Te3薄膜的力學(xué)性能進(jìn)行了模擬計(jì)算。結(jié)果表明,Bi2Te3的力學(xué)性能存在較為明顯的各向異性。Bi2Te3薄膜的力學(xué)性能差于塊體材料,且隨著工作溫度升高而下降。Bi2Te3薄膜的彈性模量隨著薄膜厚度升高而增大,最終趨于塊體值。Bi2Te3