硅晶體及硅納米線導熱系數的分子動力學模擬.pdf

1、微米、納米量級微結構材料如納米線、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。微結構導熱特性影響著器件和系統(tǒng)的運行性能與可靠性，因此分析微結構材料的熱傳導性能對于器件的設計和穩(wěn)定運行具有重要意義。 本文闡述了材料微型化的進程，介紹了熱電制冷原理，對微尺度傳熱的研究現狀進行了分類和概括。討論了分子動力學模擬方法的基本原理和詳細步驟，對各種分子動力學方法的分類和運用場合進行了說明。 在此基礎上，采用基于Gree-K

2、ubo方程的平衡態(tài)分子動力學方法模擬了單晶硅在400～1400k溫度區(qū)間內的導熱系數，給出了硅在Debye溫度以下經典分子動力學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、空穴對其導熱系數的影響。模擬中使用不同溫度下的晶格常數計算了熱膨脹對熱傳導系數的影響，仿真結果表明考慮熱膨脹后硅晶體的導熱系數同溫度的1.1693次方成反比，且均低于未考慮熱膨脹時的結果；含有同位素雜質(<'29>Si)的硅晶體的導熱系數要低于純凈晶體的導

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

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