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

1、低維半導(dǎo)體在一維或兩維方向具有納米級尺寸，量子效應(yīng)、邊界效應(yīng)、界面效應(yīng)使熱載流子的輸運過程與體態(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，熱載流子輸運的物理圖像仍不清晰。在半導(dǎo)體中，熱量是通過原子振動的相互作用實現(xiàn)傳遞的。將這種振動量子化為聲子有利于研究低維結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)機理。聲子的運動過程存在一定的隨機成分，蒙特卡洛方法是通過對隨機變量的統(tǒng)計實驗來求解物理問題的一種方法，適用于研究大量聲子在低維納米結(jié)構(gòu)中的復(fù)雜

2、運動。本文以聲子為研究對象，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)過程。結(jié)果顯示：對于直徑為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程。對于直徑為22nm的硅納米線，實驗結(jié)果顯示熱導(dǎo)率隨溫度成

3、線性增加。分析認為隨著直徑的減小，納米線表面的粗糙度對熱導(dǎo)率影響將逐漸加強。在此基礎(chǔ)上本文提出了計算粗糙度多重散射的方法，在模型中考慮了多重散射對聲子馳豫時間的影響，模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)較符合。同時，采用該模型對邊界散射、U散射、雜質(zhì)散射在不同溫度下的影響權(quán)重進行了分析，認為熱導(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模型，以漸擴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)果表明邊界散射對熱傳

5、導(dǎo)的影響小于體積分布不同對聲子輸運的影響。
　　 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：聲子由一種材料進入另一種材料，等價于由一種材料的色散曲線上某一點遷移至另一種材料色散曲線上的一點或分解為某兩點。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強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：在低電場強情況下，模擬初期電子與聲子的耦合表現(xiàn)為電子對聲子的吸收與發(fā)射相對平衡。隨著模擬時間的增加，電子對聲子的吸收散射逐漸減少，對聲子的發(fā)射散射逐漸增加。在相同溫度下隨著電場強度的增加，電子的平均自由程經(jīng)歷了一個先增大后減小，最后趨于穩(wěn)定的過