航天器半導體納米材料熱導率的分子動力學模擬.pdf

1、半導體納米材料是航天器的星載微電子、微機械系統(tǒng)以及溫差發(fā)電器的重要部件。為了實現(xiàn)微電子機械系統(tǒng)的熱設計和熱管理,必須全面了解和掌握半導體納米材料的熱輸運性質和熱物性參數(shù)。目前對于厚度小于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條件存在多種困難通過實驗技術直接測量熱導率一般難以實施。在這種情況下,分子動力學模擬成為研究材料內部存在的非常規(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)分子動力學模擬方法(EMD)研究了Si和Ge體態(tài)材料的熱傳導性能,模擬結果當溫度的升高時,熱導率大幅度減小,與已有理論和實驗數(shù)據(jù)相吻合。利用非平衡態(tài)分子動力學模擬方法(NEMD)構造了適合于單晶納米薄膜的穩(wěn)態(tài)熱傳導模型,并考慮局域溫度量子修正后對溫度在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率進行模擬。計算結果表明:單晶薄膜熱導率

3、明顯小于其體態(tài)材料;在模擬范圍內,薄膜熱導率與其厚度近似呈線性關系,薄膜厚度增大時,熱導率也隨之增大; Si單晶薄膜熱導率隨著溫度的升高略有降低,而Ge單晶薄膜熱導率溫度的變化對其沒有明顯影響。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和溫度效應的主要原因。
　　在對完好單晶薄膜熱導率研究的基礎上，采用NEMD方法分析了空位結構缺陷對Si和Ge單晶薄膜熱物性的影響。結果表明空位缺陷使其周圍的晶格發(fā)生應變,引起聲子在缺陷處

4、的強烈散射,導致熱導率隨空位濃度的增加大幅度下降。為驗證MD模擬結果的準確性,采用基于Boltzmann輸運理論的Callway模型從理論上對空位缺陷濃度與熱導率的依賴關系進行評估。理論預測證實了MD模擬得到熱導率隨空位缺陷濃度的變化規(guī)律,表明MD模擬技術在研究微尺度傳熱方面的重要價值。
　　通過NEMD模擬方法研究了SiGe合金低維結構中Ge粒子濃度對其熱導率的影響。當其百分濃度小于0.375時,合金熱導率隨著濃度的增加而降低;

5、當百分濃度大于0.375時,合金熱導率隨濃度的增加而升高,該結論與利用Callway模型得到的理論結果相一致。通過比較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超晶格結構在微尺度下的傳熱性能。使用可以對鍵序進行修正的Tersoff二體-三體相互作用勢模型描述超晶格結構中Si粒子與Ge粒子的相互作用。重點分析了各個界面處溫度的突變