纳结构界面热导研究

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微尺度的热输运在微纳器件的功能和微纳器件设计可行性中扮演了重要的角色。自Richard Feynmann[1]发表了题为《Theres plenty of room at the bottom》的报告,微纳结构的研究受到了科学界的广泛关注。由于微纳材料具有不同于常规材料的特殊性质,所以微纳材料成了物理,生物,化学以及机械等学科研究的前沿和重点内容。随着科技的发展和计算机运行速度的提高,微纳材料的众多性质已被发现并应用于现实生活,即使如此,人们对微纳材料的认识依然处在初期阶段。  传热为微纳器件研究的重点内容之一,微纳尺寸的传热递已经完全不同于宏观状态下的热传递。当器件小于一定尺寸后,声子输运在能流中占据了主导地位,所以研究声子性质有助于探索发现微纳器件传热的本质并将其付诸实际应用。然而,科学界对于声子的研究并没有完全一致的结论,所以研究声子的方法与模型众多。  传统热输运理论在研究微纳结构时遭遇了两大瓶颈,一是当模拟尺寸达到纳米量级时,传统理论就会遭遇尺寸限制,因此不能建立有效的力学模型;二是当温度接近绝对温度时,结构热输运主要依靠声子的传播,传统理论不能有效研究声子在热输运中所起的作用,因此在低温模型中,传统理论的模拟结果会出现较大误差。本文建立的晶格动力学模型,从原子间的作用关系入手,建立了有效的原子运动方程,以牛顿第二力学定律为基础,从量子力学角度研究声子的性质,从而克服了模拟尺寸限制和温度限制。传统理论从器件热端和冷端的温度梯度来计算热导系数,可以对高温部分进行有效模拟,但低温时与实验值相差较大。本文则从声子态密度角度出发,研究所有到达界面声子的反射和透射系数,不仅可以有效模拟高温时的热输运,还可以对低温部分进行有效模拟。理论证明,Si-Ge体态界面,低(T<15K)部分Si-Ge体态界面导热系数服从T2.28分布,而高温部分服从近似于T3分布,两者都与实验结果吻合。
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