氮化鎵納米薄膜聲子和熱學(xué)性能的表面-界面效應(yīng)理論研究.pdf

1、氮化鎵(GaN)作為新型半導(dǎo)體材料的典型代表，由于具有優(yōu)良的物理化學(xué)性質(zhì)，在光電器件和微電子器件領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，因而成為近年來半導(dǎo)體材料研究的熱點。然而，以往針對納米結(jié)構(gòu)材料的研究大多集中在尺寸效應(yīng)、量子限域效應(yīng)、表面/界面散射效應(yīng)以及應(yīng)力場分別對納米結(jié)構(gòu)聲子特性和熱學(xué)性能的影響，卻鮮有涉及表面/界面耦合效應(yīng)的問題，如量子限域與表面/界面散射耦合效應(yīng)，或表面/界面散射與預(yù)應(yīng)力耦合效應(yīng)，或量子限域與表面電荷耦合效應(yīng)共同作用對納米結(jié)構(gòu)

2、聲子特性和熱學(xué)性能的影響。本文以單層GaN納米薄膜為對象，基于彈性連續(xù)模型和玻爾茲曼輸運方程，分別定量研究了上述三種耦合效應(yīng)對GaN納米薄膜聲子特性和熱學(xué)性能的影響。
　　首先，在傳統(tǒng)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)框架下，簡述了量子限域納米材料聲子的連續(xù)彈性理論，采用有限元差分法得到了納米薄膜聲子色散關(guān)系、聲子平均群速度和聲子態(tài)密度的表達式;同時，基于玻爾茲曼輸運方程考慮表面/界面散射效應(yīng)，建立了聲子熱流沿橫向流動的聲子輸運模型。然后，通過數(shù)值計算

3、定量給出了在量子限域效應(yīng)與表面/界面散射效應(yīng)共同作用下的聲子熱導(dǎo)率。研究結(jié)果表明:相對于僅考慮量子限域效應(yīng)的情形，同時考慮表面/界面散射效應(yīng)會使得橫向聲子熱導(dǎo)率出現(xiàn)量級上的減少，并且表現(xiàn)出更明顯的尺寸效應(yīng)。
　　其次，考慮預(yù)應(yīng)力的影響，結(jié)合玻爾茲曼輸運方程和聲彈效應(yīng)理論，建立了聲子熱流沿平面方向流動的聲子輸運模型，定量研究了表面/界面散射效應(yīng)對應(yīng)力約束GaN納米薄膜平面聲子熱導(dǎo)率的影響。理論結(jié)果表明:相較于聲子熱流沿橫向流動的情形

4、，平面聲子熱導(dǎo)率的數(shù)值有明顯的減小。當(dāng)引入初始應(yīng)力場時，正應(yīng)力減小了納米薄膜的聲子熱導(dǎo)率，而負應(yīng)力增大了聲子熱導(dǎo)率。同時，表面/界面散射與預(yù)應(yīng)力耦合效應(yīng)使得聲子熱導(dǎo)率的尺寸效應(yīng)顯著增強。
　　最后，考慮了納米薄膜表面存在電荷的情形，對慮及表面電荷的聲子特性和聲子熱導(dǎo)率的變化情況進行了定量研究。研究結(jié)果表明:當(dāng)納米薄膜表面存在電荷時，負電荷增大了聲子熱導(dǎo)率而正電荷減小了聲子熱導(dǎo)率。此外，表面電荷的存在，將會改變聲子熱導(dǎo)率的溫度效應(yīng)和