氬納米薄膜熱傳導(dǎo)分子動力學(xué)模擬.pdf

1、厚度在納米量級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)熱機理和導(dǎo)熱特性對于相關(guān)微器件與微結(jié)構(gòu)的熱設(shè)計、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)，通過實驗手段直接進行測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施。本文采用分子動力學(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、播機理。本課題著重分析了熱傳導(dǎo)過程的兩個效應(yīng)：尺度效應(yīng)和熱波效應(yīng)。
　　首先采用了平衡分子動力學(xué)(EMD)的方法對氬納米薄膜的熱導(dǎo)率進行了模擬。模擬結(jié)果顯示，x,y,z三個方向的熱導(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，與實驗值的變化趨勢一致。采用三種不同的方法計算了聲子（晶格振動）的弛豫時間，分析了熱導(dǎo)率的尺寸效應(yīng)的機理。
　　熱是以擴散方式還

3、是以波動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。由于熱波的存在條件極為苛刻(時間和空間尺度都很小)，用常規(guī)的實驗方法難以進行研究，而分子動力學(xué)方法能夠較方便地模擬研究遠離平衡態(tài)的熱波問題。通過分子動力學(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非常關(guān)鍵，因為能流密度在燒蝕閾值附近時，材料表面加工質(zhì)量比較好。通過分子動力學(xué)模擬，對不同厚度的薄膜