低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)傳熱的蒙特卡洛模擬與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、低維半導(dǎo)體在一維或兩維方向具有納米級(jí)尺寸，量子效應(yīng)、邊界效應(yīng)、界面效應(yīng)使熱載流子的輸運(yùn)過(guò)程與體態(tài)情況相比具有較大差異。目前關(guān)于納米低維結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)的理論模型尚不完備，熱載流子輸運(yùn)的物理圖像仍不清晰。在半導(dǎo)體中，熱量是通過(guò)原子振動(dòng)的相互作用實(shí)現(xiàn)傳遞的。將這種振動(dòng)量子化為聲子有利于研究低維結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)機(jī)理。聲子的運(yùn)動(dòng)過(guò)程存在一定的隨機(jī)成分，蒙特卡洛方法是通過(guò)對(duì)隨機(jī)變量的統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)求解物理問(wèn)題的一種方法，適用于研究大量聲子在低維納米結(jié)構(gòu)中的復(fù)雜

2、運(yùn)動(dòng)。本文以聲子為研究對(duì)象，采用蒙特卡洛方法，探討了聲子在低維半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)中的傳輸過(guò)程。
　　 建立了硅納米線熱傳導(dǎo)的蒙特卡洛模型，散射事件包含了邊界散射、U散射與雜質(zhì)散射。模擬了直徑分別為22nm、37nm與56nm的硅納米線在15K～315K溫度范圍內(nèi)的熱傳導(dǎo)過(guò)程。結(jié)果顯示：對(duì)于直徑為37nm、56nm的硅納米線，隨溫度的升高熱導(dǎo)率經(jīng)歷先迅速增大后逐漸減小的變化過(guò)程。對(duì)于直徑為22nm的硅納米線，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示熱導(dǎo)率隨溫度成

3、線性增加。分析認(rèn)為隨著直徑的減小，納米線表面的粗糙度對(duì)熱導(dǎo)率影響將逐漸加強(qiáng)。在此基礎(chǔ)上本文提出了計(jì)算粗糙度多重散射的方法，在模型中考慮了多重散射對(duì)聲子馳豫時(shí)間的影響，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較符合。同時(shí)，采用該模型對(duì)邊界散射、U散射、雜質(zhì)散射在不同溫度下的影響權(quán)重進(jìn)行了分析，認(rèn)為熱導(dǎo)率變化曲線中，峰值的偏移與邊界散射所占權(quán)重有直接關(guān)系。在直徑為22nm的硅納米線中，邊界散射的權(quán)重在模擬溫度范圍內(nèi)始終占主導(dǎo)地位，熱導(dǎo)率的變化趨勢(shì)由邊界散射決定，

4、成線性增加。
　　 建立了聲子在變截面硅納米線中的輸運(yùn)模型，以漸擴(kuò)幾何體與漸縮幾何體為物理模型，分別研究了等熱量與非等熱量輸入條件下兩種模型的熱整流效應(yīng)和聲子的輸運(yùn)特性。模擬結(jié)果表明：在以上兩種熱量輸入條件下，漸縮模型的熱傳導(dǎo)性能均高于漸擴(kuò)模型，并且在非等熱量輸入的條件下，漸縮模型的熱整流效應(yīng)要強(qiáng)于等熱量輸入條件下的熱整流效應(yīng)。兩種物理模型的主要區(qū)別在于體積分布不同，雖然在納米尺度下邊界散射作用明顯，但模擬結(jié)果表明邊界散射對(duì)熱傳

5、導(dǎo)的影響小于體積分布不同對(duì)聲子輸運(yùn)的影響。
　　 在散射失配模型基礎(chǔ)上建立了硅鍺超晶格薄膜的熱傳導(dǎo)蒙特卡洛模型，提出了基于色散曲線的超晶格薄膜界面散射處理方法，即：聲子由一種材料進(jìn)入另一種材料，等價(jià)于由一種材料的色散曲線上某一點(diǎn)遷移至另一種材料色散曲線上的一點(diǎn)或分解為某兩點(diǎn)。若能夠在另一種材料色散曲線中找到能夠容納該聲子頻率的位置，則認(rèn)為該聲子有可能穿越界面，否則將被反彈。模擬結(jié)果顯示：若保持超晶格薄膜總厚度不變，增加界面數(shù)量，

6、熱導(dǎo)率將下降。若保持單層薄膜厚度不變，增加周期數(shù)目，超晶格薄膜的熱導(dǎo)率將增加。
　　 采用蒙特卡洛方法模擬了不同電場(chǎng)強(qiáng)度和溫度下電子與聲子的耦合，分析了電子吸收和釋放聲子的特性。結(jié)果顯示：在低電場(chǎng)強(qiáng)情況下，模擬初期電子與聲子的耦合表現(xiàn)為電子對(duì)聲子的吸收與發(fā)射相對(duì)平衡。隨著模擬時(shí)間的增加，電子對(duì)聲子的吸收散射逐漸減少，對(duì)聲子的發(fā)射散射逐漸增加。在相同溫度下隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，電子的平均自由程經(jīng)歷了一個(gè)先增大后減小，最后趨于穩(wěn)定的過(guò)