纳米薄膜热物性分子动力学仿真

论文题目: 纳米薄膜热物性分子动力学仿真

论文类型: 硕士论文

论文专业: 机械设计及理论

作者: 唐明兵

导师: 庄苹,陈云飞

关键词: 薄膜,热传导,分子动力学模拟,结晶,导热系数,平均自由程

文献来源: 东南大学

发表年度: 2005

论文摘要: 厚度为微米～纳米量级的薄膜是微电子、光电子、MEMS和正在兴起的纳米技术等领域中各微型器件的重要组件。薄膜导热特性严重影响着器件和系统的运行性能和可靠性。探求薄膜的热导率和热输运规律,对于器件的优化设计具有重要的意义。但对于厚度为100nm一下的薄膜,热导率的实验测试极端困难。在该尺度下,分子动力学(MD)模拟是有效的研究方法。本文阐述了材料微型化的进程,结合应用实例介绍了热电制冷原理,对微尺度传热的研究现状进行了分类和概括。讨论了分子动力学模拟方法的基本原理和详细步骤,对各种分子动力学方法的分类和运用场合进行了说明。在此基础上,采用等温等压系综分子动力学研究了氩本体的熔点以及结晶过程和空穴对氩本体导热性能的影响。模拟结果显示,氩本体的熔点和外部的压强有着直接的关系,并随着加热速度的增加而上升;温度在20～70K之间,有结晶过程时的导热系数比晶格常数固定时的值低,但略高于考虑热膨胀时热导率,并随着温度升高更加接近实验值时的情况;模拟结果还显示相同的掺杂浓度下,在高温时结晶后的本体导热系数低于无结晶的导热系数;在低温时结晶后的本体导热系数高于无结晶的导热系数;并且随空穴浓度的增加而下降。论文还采用非平衡态分子动力学方法模拟了超晶格薄膜的热传导性能。模拟结果表明,材料的平均自由程和导热系数均随着其势阱深度的增加而增加;在晶格匹配时,超晶格薄膜的导热系数将在某个周期长度处取得最小值,而在晶格失配时,超晶格薄膜的导热系数将随周期长度的增加而单调上升。

论文目录:

中文摘要

英文摘要

第一章绪论

1.1 研究背景

1.1.1 微型化进程和趋势

1.1.2 热电制冷的原理和应用

1.2 微尺度传热介绍

1.2.1 微尺度热传导的研究背景

1.2.2 微尺度热传导的尺寸效应

1.2.3 微尺度传热学中的基本分析方法

1.2.4 薄膜的热导率研究

1.2.5 超晶格结构的热导率研究

1.3 课题来源与主要研究内容

第二章分子动力学模拟方法

2.1 分子动力学方法简介

2.2 分子动力学模拟的基本步骤

2.3 热导率的分子动力学模拟方法

2.3.1 平衡态分子动力学模拟方法

2.3.2 非平衡态分子动力学模拟方法

2.4 晶格导热的分子动力学模拟研究进展

2.5 薄膜法向导热的MD 模拟方案与选择

2.6 分子动力学程序流程

第三章 Ar 本体导热系数的分子动力学模拟

3.1 前言

3.2 模拟模型

3.3 Ar势能函数和受力关系

3.4 无量纲化过程

3.5 等温等压系综分子动力学

3.6 热导率的计算

3.7 模拟结果和分析

3.8 本章小结

第四章超晶格结构分子动力学模拟

4.1 前言

4.2 超晶格的构造和模拟参数

4.3 模拟的条件

4.4 系统热导率的计算

4.5 仿真结果与分析

4.6 本章小结

第五章总结和展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

发布时间: 2007-06-11

参考文献

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