固體界面?zhèn)鳠岬姆肿觿?dòng)力學(xué)模擬.pdf

1、隨著納米技術(shù)、微電子技術(shù)的飛速發(fā)展,器件的尺寸進(jìn)入了微／納米尺度。微／納器件形成微／納機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的同時(shí),也帶來(lái)微／納器件界面?zhèn)鳠釂?wèn)題。微／納結(jié)構(gòu)間的熱量輸運(yùn)過(guò)程與宏觀尺度有很大差別,呈現(xiàn)出微幾何尺度和微時(shí)間尺度效應(yīng)。目前為止,還沒(méi)有一個(gè)模型能夠完全考慮界面聲子傳輸?shù)母鞣N影響因素,理論仍不能完全解釋實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,界面?zhèn)鳠岬奈锢頇C(jī)理也不明晰。
　　 本文通過(guò)建立分子動(dòng)力學(xué)模型,結(jié)合聲子理論對(duì)納米尺度下的界面熱傳導(dǎo)現(xiàn)象

2、給予了分析和解釋。采用非平衡態(tài)分子動(dòng)力學(xué)方法模擬了固體異質(zhì)薄膜材料添加過(guò)渡層后的熱傳導(dǎo)過(guò)程,研究了在不同溫度、薄膜厚度、過(guò)渡層厚度等條件下薄膜導(dǎo)熱系數(shù)及界面熱阻的變化特性。結(jié)果表明,由于非彈性散射機(jī)制的影響,過(guò)渡層有效地降低了界面熱阻,更有利于能量在界面處的傳輸；添加不同屬性的過(guò)渡層,異質(zhì)薄膜材料的導(dǎo)熱系數(shù)均隨溫度的升高而增大,等效界面熱阻隨溫度的升高而減小:隨著膜厚的增加,異質(zhì)薄膜導(dǎo)熱系數(shù)明顯增大,而等效熱阻基本不變,并沒(méi)有表現(xiàn)出尺寸

3、效應(yīng)。通過(guò)建立非對(duì)稱(chēng)界面接觸模型,利用分子動(dòng)力學(xué)方法研究了接觸界面的接觸面積和接觸角對(duì)界面熱傳導(dǎo)的影響,同時(shí)討論了系統(tǒng)的整流效應(yīng)。結(jié)果表明,材料一側(cè)截面A大小固定時(shí),在另一側(cè)截面B增大到與A相近的過(guò)程中,界面熱阻急劇下降；繼續(xù)增大截面積B,熱阻趨向于一個(gè)固定值,系統(tǒng)的界面熱阻取決于界面連接處的最小截面積。截面的不對(duì)稱(chēng)一定程度限制了聲子的傳輸,但這種限制并沒(méi)有表現(xiàn)出方向性。施加正反向熱流,界面熱阻或?qū)嵯禂?shù)沒(méi)有明顯的差別,即不存在整流效應(yīng)

4、；不同接觸角將影響系統(tǒng)的熱傳導(dǎo)性能,但界面熱阻隨溫度變化的基本趨勢(shì)一致,均隨溫度的升高而逐漸減小。當(dāng)接觸角增大時(shí),界面熱阻會(huì)有所下降。建立了單壁碳納米管(SWCNT)與金剛石基體接觸的分子動(dòng)力學(xué)模型,模擬了SWCNT／金剛石復(fù)合材料的界面熱傳導(dǎo),在不同SWCNT長(zhǎng)度下,得到了SWCNT／金剛石系統(tǒng)導(dǎo)熱系數(shù)以及SWCNT導(dǎo)熱系數(shù)。結(jié)果表明,無(wú)論系統(tǒng)還是SWCNT的導(dǎo)熱系數(shù)都隨著SWCNT長(zhǎng)度(系統(tǒng)長(zhǎng)度)的增加而增大,并近似呈線性關(guān)系；當(dāng)S