航天器半導(dǎo)體納米材料熱導(dǎo)率的分子動(dòng)力學(xué)模擬.pdf

1、半導(dǎo)體納米材料是航天器的星載微電子、微機(jī)械系統(tǒng)以及溫差發(fā)電器的重要部件。為了實(shí)現(xiàn)微電子機(jī)械系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)和熱管理,必須全面了解和掌握半導(dǎo)體納米材料的熱輸運(yùn)性質(zhì)和熱物性參數(shù)。目前對(duì)于厚度小于1mμ的材料,其傳熱規(guī)律與宏觀材料存在明顯區(qū)別,由于試樣制備以及試驗(yàn)條件存在多種困難通過(guò)實(shí)驗(yàn)技術(shù)直接測(cè)量熱導(dǎo)率一般難以實(shí)施。在這種情況下,分子動(dòng)力學(xué)模擬成為研究材料內(nèi)部存在的非常規(guī)傳熱現(xiàn)象的最有力工具。
　　選取Stillinger-Weber兩體

2、-三體作用勢(shì)函數(shù)描述Si和Ge單晶薄膜的粒子間相互作用。首先采用平衡態(tài)分子動(dòng)力學(xué)模擬方法(EMD)研究了Si和Ge體態(tài)材料的熱傳導(dǎo)性能,模擬結(jié)果當(dāng)溫度的升高時(shí),熱導(dǎo)率大幅度減小,與已有理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合。利用非平衡態(tài)分子動(dòng)力學(xué)模擬方法(NEMD)構(gòu)造了適合于單晶納米薄膜的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)模型,并考慮局域溫度量子修正后對(duì)溫度在300K～600K之間厚度為2nm～20nm的單晶薄膜垂直于薄膜平面方向的熱導(dǎo)率進(jìn)行模擬。計(jì)算結(jié)果表明:單晶薄膜熱導(dǎo)率

3、明顯小于其體態(tài)材料;在模擬范圍內(nèi),薄膜熱導(dǎo)率與其厚度近似呈線性關(guān)系,薄膜厚度增大時(shí),熱導(dǎo)率也隨之增大; Si單晶薄膜熱導(dǎo)率隨著溫度的升高略有降低,而Ge單晶薄膜熱導(dǎo)率溫度的變化對(duì)其沒(méi)有明顯影響。聲子平均自由程的減小是單晶薄膜熱物性存在明顯尺寸效應(yīng)和溫度效應(yīng)的主要原因。
　　在對(duì)完好單晶薄膜熱導(dǎo)率研究的基礎(chǔ)上，采用NEMD方法分析了空位結(jié)構(gòu)缺陷對(duì)Si和Ge單晶薄膜熱物性的影響。結(jié)果表明空位缺陷使其周圍的晶格發(fā)生應(yīng)變,引起聲子在缺陷處

4、的強(qiáng)烈散射,導(dǎo)致熱導(dǎo)率隨空位濃度的增加大幅度下降。為驗(yàn)證MD模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性,采用基于Boltzmann輸運(yùn)理論的Callway模型從理論上對(duì)空位缺陷濃度與熱導(dǎo)率的依賴關(guān)系進(jìn)行評(píng)估。理論預(yù)測(cè)證實(shí)了MD模擬得到熱導(dǎo)率隨空位缺陷濃度的變化規(guī)律,表明MD模擬技術(shù)在研究微尺度傳熱方面的重要價(jià)值。
　　通過(guò)NEMD模擬方法研究了SiGe合金低維結(jié)構(gòu)中Ge粒子濃度對(duì)其熱導(dǎo)率的影響。當(dāng)其百分濃度小于0.375時(shí),合金熱導(dǎo)率隨著濃度的增加而降低;

5、當(dāng)百分濃度大于0.375時(shí),合金熱導(dǎo)率隨濃度的增加而升高,該結(jié)論與利用Callway模型得到的理論結(jié)果相一致。通過(guò)比較SiGe合金納米化前后熱電優(yōu)值ZT的變化情況,證明材料納米化是進(jìn)一步優(yōu)化和提高其熱電性能的有效途徑。
　　最后采用NEMD模擬方法研究了Si/Ge超晶格結(jié)構(gòu)在微尺度下的傳熱性能。使用可以對(duì)鍵序進(jìn)行修正的Tersoff二體-三體相互作用勢(shì)模型描述超晶格結(jié)構(gòu)中Si粒子與Ge粒子的相互作用。重點(diǎn)分析了各個(gè)界面處溫度的突變