单晶硅薄膜面向热导率分子动力学研究

采用非平衡分子动力学方法(NEMD)研究了室温(300 K)下厚度为2～32 nm的单晶硅薄膜的沿膜平面方向的热导率,并使用Debye-Einstein模型对模拟温度进行了量子修正。模拟表明薄膜面向热导率小于相应的大体积值,并随膜厚度减小而减小,具有显著的尺寸效应。在模拟范围内膜面向热导率略大于其法向热导率;与声子气动力论的定性结果一致。晶体的表面弛豫和表面重构现象导致了MD模拟中体系总内能的升高。     

硅纳米薄膜法向热导率的进一步分析

应用非平衡分子动力学方法进一步研究了平均温度为300K、厚度为2.715nm-43.44nm的单晶硅薄膜的法向热导率,模拟结果表明,薄膜热导率低于同温度下单晶硅的实验值,存在显著的尺寸效应,当膜厚度在20nm以下时,法向热导率随尺度减小而线性减小,当膜厚度大于20nm时法向热导率随尺度呈现二阶多项式变化。法向热导率的变化规律与面向热导率的变化规律类似,表明薄膜厚度和表面晶格结构对声子传热影响的复杂性。     

固态金属中声子热传递的分子动力学模拟研究

固态金属中的热传递是声子和自由电子共同作用的结果。自由电子引起的热导率可以通过电导率,利用Wiedemann-Franz定律得到,声子引起的热导率目前仍然不能进行实验测量,只能借助其他方法来研究。本文采用非平衡分子动力学(NEMD)方法,用镶嵌原子方法(EAM)势能模型,模拟计算了不同厚度(1.760-10.56nm)金属镍薄膜中由于声子-声子作用引起的热导率。然后根据纳米厚度金属薄膜的热导率借助关联式推到宏观尺度下由于声子-声子作用引起的热导率。结果表明,对于纳米厚度金属薄膜,由于声子-声子作用引起的热导率比块体金属镍的热导率小一个数量级;薄膜厚度越小,声子-声子作用引起的热导率越小;对于块体金属镍,由于声子-声子作用引起的热导率约占其总热导率的33.0%左右。     

表面粗糙度对薄膜面向热导率的影响研究

通过求解声子辐射输运方程(EPRT)计算得到了薄膜的面向晶格热导率.在薄膜界面采用与声子波长相关的镜反射率模型,考虑了薄膜的厚度、温度和表面粗糙度等对其热导率的影响.结果表明,界面粗糙度对薄膜热导率的影响很大.减小界面粗糙度,会使得薄膜热导率大大增加.另外,薄膜厚度减小使得热导率峰值对应的温度增加.     

氩晶体薄膜法向热导率的分子动力学模拟

结合卫星“微型核”的特点，研究电介质薄膜中的导热机理以及薄膜厚度对导热系数的影响.以结构较为简单、具有可靠势能函数，实验数据较为丰富和可靠的氩的(fcc)晶体为模型,采用平衡分子动力学方法(EMD)和各向异性非平衡分子动力学方法(NEMD)计算了氩晶体及其法向薄膜的热导率,并与实验结果进行比较.模拟结果表明，氩晶体纳米薄膜的热导率显著小于对应大体积晶体的实验值，具有明显的尺寸效应.在氩薄膜厚度为2.124—5.310nm的模拟范围内,薄膜的法向热导率随着薄膜厚度的增加而呈近似线性增加. 关键词： 热导率 纳米薄膜 尺寸效应 平衡分子动力学 非平衡分子动力学     

单晶硅纳米薄膜面向导热MD研究的探讨

本文分析了经典分子动力学(Molecular Dynamics)技术在模拟厚度在纳米量级的单晶硅薄膜平行于薄膜平面方向的热导率时出现的用难,指出精确计算薄膜表面附近处的原子运动状态对于单晶硅纳米薄膜面向热导率的分子动力学模拟具有重要意义,并在此基础上提出采用基于分子动力学和预处理共轭梯度法(Preconditioned conjugate Gradients)的Ab Initio方案模拟面向热导率。     

含有倾斜界面硅/锗超晶格的导热性能

采用非平衡分子动力学(NEMD)方法模拟含有倾斜界面的硅/锗(Si/Ge)超晶格在不同倾斜角、不同周期长度、不同样本长度和不同温度下的导热性能.模拟结果表明, Si/Ge超晶格的热导率随着界面倾斜角的增加而非单调变化.当周期长度为4—8原子层时,界面倾斜角为45°的热导率比其他界面倾斜角时热导率增大了一个数量级,且热导率随样本长度的增加而增加,随温度的增加而减小.然而当周期长度为20原子层时,由于声子局域化的存在,热导率对样本长度和温度的依赖性都较弱.     

扭转对碳纳米管束热物性的影响

采用非平衡分子动力学方法(NEMD)研究了扭转对碳纳米管(CNT)管束热导率的影响。CNT管束由7根(10,10) CNT组成。通过对CNT管束施加不同程度扭转,结果表明CNT管束热导率随着扭转程度增大迅速下降。采用T形法测量了扭转前后CNT管束热导率随温度的变化,实验结果与模拟预测趋势吻合。声子谱和拉曼光谱的结果表明扭转对原结构的破坏,结构有序性降低造成声子软化,最终导致了热导率的下降。     

硅纳米薄膜中声子弹道扩散导热的蒙特卡罗模拟

通过建立声子散射概率函数描述声子在输运过程中的散射,提出了一种模拟声子弹道扩散导热的蒙特卡罗方法,并将其应用于硅纳米薄膜中的稳态和瞬态弹道扩散导热过程的研究. 提出的蒙特卡罗方法对边界发射的声子束进行跟踪,根据散射概率函数模拟声子束在传播区域内经历的散射过程,并通过统计声子束的分布得到温度分布. 稳态导热过程的模拟发现,尺寸效应会引起边界温度跳跃,其值随着Knudsen数的增大而增大;计算的硅纳米薄膜的热导率随着厚度的增大而增大,与文献中的实验数据和理论模型相符. 通过瞬态导热过程的模拟得到了纳米薄膜内的温度分布随时间的变化,发现瞬态导热过程中的热波现象与空间尺度相关,材料尺寸越小,弹道输运越强,薄膜中的热波现象也越显著. 关键词： 纳米薄膜 弹道扩散导热 蒙特卡罗模拟 尺寸效应     

金属纳米颗粒的热导率

本文使用统计模拟方法对金属纳米颗粒的电子平均自由程进行了计算,并考察了纳米颗粒的晶格比热和声子平均群速度,最后应用动力学理论对纳米颗粒的电子热导率和声子热导率分别进行了求解.研究结果表明:具有相同特征尺寸的方形、球形纳米颗粒的无量纲电子(或声子)平均自由程比较接近.金属纳米颗粒的电子热导率远大于声子热导率;电子、声子热导率随着直径减小呈现降低趋势,而电子热导率的颗粒尺度依赖性比声子热导率更为明显;随着颗粒直径进一步减小,声子热导率与电子热导率趋于同一数量级.当纳米颗粒特征尺寸大于4倍块材电子(或声子)平均自由程,其电子(或声子)热导率的颗粒尺度依赖性将减弱.     

A molecular dynamics simulation: the effect of finite size on the thermal conductivity in a single crystal silicon

Non-equilibrium molecular dynamics (NEMD) simulations are performed to calculate thermal conductivity. The environment-dependent interatomic potential (EDIP) potential on crystal silicon is adopted as a model system. The issues are related to nonlinear response, local thermal equilibrium and statistical averaging. The simulation results by non-equilibrium molecular dynamics show that the calculated thermal conductivity decreases almost linearly as the film thickness reduced at the nanometre scale. The effect of size on the thermal conductivity is also obtained by a theoretic analysis of the kinetic theory and formulas of the heat capacity. The analysis reveals that the contributions of phonon mean free path (MFP) and phonon number in a finite cell to thermal conductivity are very important.     

硅功能化石墨烯热导率的分子动力学模拟

采用Tersoff势函数与Lennard-Jones势函数,结合速度形式的Verlet算法和Fourier定律,对单层和两层硅功能化石墨烯沿长度方向的导热性能进行了正向非平衡态分子动力学模拟.通过模拟发现,硅原子的加入改变了石墨烯声子的模式、平均自由程和移动速度,使得单层硅功能化石墨烯模型的热导率随着硅原子数目的增加而急剧地减小.在300 K至1000 K温度变化范围内,单层硅功能化石墨烯的热导率呈下降趋势,具有明显的温度效应.对双层硅功能化石墨烯而言,少量的硅原子嵌入,起到了提高热导率的作用,但当硅原子数目达到一定数量后,材料的导热性能下降.     

Nanoscale thermal cloaking by in-situ annealing silicon membrane

With the advent of thermal metamaterials, many new thermal functionalities have been proposed, like thermal cloaking, concentrating, etc. However, these thermal functionalities are based on the transformation thermotics or scattering cancellation technique, which, derived from Fourier's law, cannot apply to the micro-/nanoscale counterparts. In this paper, we design a nanoscale thermal cloak based on a crystalline silicon (Si) membrane and investigate the in-plane phonon transport via non-equilibrium molecular dynamics (NEMD) simulation by in-situ tuning the thermal conductivity of the thermal cloak from crystalline Si to amorphous Si. The two-dimensional temperature profile is obtained, and the thermal cloaking effect is evaluated by the ratio of heat flux. By analyzing the phonon density of state (PDOS) and the mode participation ratio (MPR), the mechanism can be attributed to the phonon localization in the annealed cloaking region. The proposed nanoscale thermal cloak by in-situ tuned thermal conductivity, may trigger the development of nanoscale thermal functionalities and open avenues for and thermal management for nano-photonics and nano-electronics.     

Layer and size dependence of thermal conductivity in multilayer graphene nanoribbons

Using nonequilibrium molecular dynamics method (NEMD), we have found that the thermal conductivity of multilayer graphene nanoribbons monotonously decreases with the increase of the number of layers which can be attributed to the phonon resonance effect of out-of-plane phonon modes. The reduction of thermal conductivity is proportional to the layer size, which is caused by the increase of phonon resonance. The results clearly show the dimensional evolution of thermal conductivity from quasi-one dimension to higher dimensions in graphene nanoribbons.     

Ballistic–diffusive phonon transport and size induced anisotropy of thermal conductivity of silicon nanofilms

The effective thermal conductivity of nanofilms is size dependent due to the diffusive–ballistic transport of phonons. In this paper, we investigate the cross-plane phonon transport from the viewpoint of the phonon Boltzmann equation. A predictive model for the size dependent thermal conductivity is proposed and agrees well with the results of molecular dynamics simulation for silicon nanofilms. The ballistic transport has different effects on the heat conduction in the in-plane or cross-plane directions, which causes the anisotropy of thermal conductivity of nanofilms. Such anisotropy is also size dependent and vanishes with the increase of film thickness.     

氢化非晶硅薄膜的热导率研究

采用铂电极为加热电阻,研究了厚度为300—370nm等离子体化学气相沉积(PECVD)工艺制备的氢化非晶硅(a-Si：H)薄膜的热导率随衬底温度的变化规律.用光谱式椭偏仪拟合测量薄膜的厚度,得到了沉积速率随衬底温度变化规律,傅里叶红外(FTIR)表征了在KBr晶片衬底上制备的a-Si：H薄膜的红外光谱特性,SiH原子团键合模的震动对热量的吸收降低了薄膜热导率.从动力学角度分析了薄膜热导率随平均温度升高而增大的原因,并比较了声子传播和自由电子移动在a-Si：H薄膜热导率变化上的作用差异. 关键词： 非晶硅 热导率 薄膜 热能