固体微/纳米尺度传热理论研究进展

随着半导体技术的飞速发展,器件的尺寸已进入到微/纳米尺度。由于量子效应、表面及界面效应,使得微尺度下的热物性与宏观尺度下有了明显的区别。人们针对微观传热领域的特点,发展了声子玻尔兹曼传输方程、分子动力学等方法,取得了一定的成果,但仍存在不少问题。一些基础概念问题,特别是非平衡态下的局域温度的定义,有待澄清。本文主要回顾近年来微/纳米尺度传热在理论和数值模拟方面的进展,以及目前所面临的挑战和问题。     

多约束纳米结构的声子热导率模型研究

纳米技术的快速发展使得对微纳尺度导热机理的深入研究变得至关重要. 理论和实验都表明, 在纳米尺度下声子热导率将表现出尺寸效应. 基于声子玻尔兹曼方程和修正声子平均自由程的方法得到了多约束纳米结构的声子热导率模型, 可以描述多个几何约束共同作用下热导率的尺寸效应. 不同几何约束对声子输运的限制作用可以分开计算, 总体影响则通过马西森定则进行耦合. 对于热流方向的约束, 采用扩散近似的方法求解声子玻尔兹曼方程; 对于侧面边界约束, 采用修正平均自由程的方法计算边界散射对热导率的影响. 得到的模型能够预测纳米薄膜(法向和面向)及有限长度方形纳米线的热导率随相应特征尺寸的变化. 与蒙特卡罗模拟及硅纳米结构热导率实验值的对比验证了模型的正确性.     

微尺度薄膜热导率测试技术

随着器件尺寸进入到微／纳米尺度，其热物性与体材料相比有了很大差别。在器件热性能和可靠性研究过程中，对热导率的测量成为了关键技术之一。本文概述了SiO2、SiNx、金刚石等薄膜在微小型器件中的用途及其热导率测试技术的发展，并进一步总结了用于薄膜热导率测量的常用方法。     

微纳米电子器件散热过程中的物理问题

微纳米电子器件的散热问题是目前制约半导体工业发展的重要瓶颈.将电子器件工作时产生的热量传输到封装外壳后再耗散到环境中去需要好几个步骤,每个步骤需要不同的方法,其中有些步骤涉及到了固体中的界面热传导问题和高性能导热材料.文章先介绍了近期关于微纳米尺度器件散热问题中碰到的热传导问题在理论和实验两方面的研究进展.在热传导理论和计算方法方面,作者讨论了傅里叶定律在微纳米尺度的适用性,介绍了玻尔兹曼方程、分子动力学模拟和格林函数方法.在热传导实验方面,介绍了用扫描热显微镜测量样品表面温度和用超快激光反射法测量薄膜材料的热导率及其界面热阻.然后介绍了界面热传导问题,包括界面热阻的计算以及电子—声子相互作用对界面热阻的影响.最后作者介绍了关于高性能导热材料方面的最新进展,包括碳基导热材料、晶格结构类似于石墨烯的氮化硼材料、高分子有机材料以及界面热阻材料.     

微纳米电子器件散热过程中的物理问题

微纳米电子器件的散热问题是目前制约半导体工业发展的重要瓶颈。将电子器件工作时产生的热量传输到封装外壳后再耗散到环境中去需要好几个步骤,每个步骤需要不同的方法,其中有些步骤涉及到了固体中的界面热传导问题和高性能导热材料。文章先介绍了近期关于微纳米尺度器件散热问题中碰到的热传导问题在理论和实验两方面的研究进展。在热传导理论和计算方法方面,作者讨论了傅里叶定律在微纳米尺度的适用性,介绍了玻尔兹曼方程、分子动力学模拟和格林函数方法。在热传导实验方面,介绍了用扫描热显微镜测量样品表面温度和用超快激光反射法测量薄膜材料的热导率及其界面热阻。然后介绍了界面热传导问题,包括界面热阻的计算以及电子—声子相互作用对界面热阻的影响。最后作者介绍了关于高性能导热材料方面的最新进展,包括碳基导热材料、晶格结构类似于石墨烯的氮化硼材料、高分子有机材料以及界面热阻材料。     

纳米尺度热物理中的声子弱耦合问题

纳米尺度热物理中的诸多新现象、新机制与声子弱耦合存在密切关联.本文介绍了声子弱耦合机制,以及相关的物理现象:低维体系中热导率的尺寸效应、声子双温度现象和范德瓦耳斯堆叠界面的高热阻等.同时概述了近年国内外学者对于这些新颖物理现象的前沿研究成果.对声子弱耦合目前面临的问题,例如理论模型如何加入声子波动性等,进行了简要讨论和展望.     

Mo2C二维材料晶格热导率的第一性原理研究

Mo₂C是构建Mxene基器件的重要材料之一,对Mo₂C二维材料声子输运的理解非常必要.文章结合第一性原理方法和声子玻尔兹曼输运方程,研究了二维Mo₂C材料的晶格热导率.研究表明,室温下二维Mo₂C导热系数非常低,其锯齿方向和扶手椅方向的晶格热导率分别为7.20和5.04 W/mK.计算了声学振动和光学振动模式对晶格热导率的贡献,揭示总热导率主要由面内声学横波的振动模式所贡献.还进一步计算了声子群速度、声子弛豫时间、三声子散射空间和模式格林艾森参数,发现二维Mo₂C中的声子群速度和声子弛豫时间对晶格传输有重要的影响.     

二维Mo2C的晶格热导率的第一性原理研究

Mo2C是构建Mxene基器件的重要材料之一,对Mo2C二维材料声子输运的理解非常必要。文章结合第一性原理方法和声子玻尔兹曼输运方程,研究了二维Mo2C材料的晶格热导率。研究表明,室温下二维Mo2C导热系数非常低,其锯齿方向和扶手椅方向的晶格热导率分别为7.20 和 5.04 W/mK。计算了声学振动和光学振动模式对晶格热导率的贡献,揭示总热导率主要由面内声学横波的振动模式所贡献。还进一步计算了声子群速度、声子弛豫时间、三声子散射空间和模式格林艾森参数,发现二维Mo2C中的声子群速度和声子弛豫时间对晶格传输有重要的影响。     

纳米尺度下毛细流动的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟研究纳米尺度下壁面润湿性对毛细流动的影响,主要考虑纳米通道两侧壁面润湿性相同与不同两种情况。研究表明：两侧壁面润湿性相同条件下,毛细流动随着壁面润湿性增强而加快, 毛细高度随时间的变化早期偏离Lucas-Washburn理论,但后期与其预测符合。在纳米通道两侧壁面润湿性不同的情况下,液面会发生振荡,两侧壁面毛细高度也不相等,且液面振荡的幅度和两侧壁面毛细高度差都随着两侧壁面润湿性差异的增大而增大。基于能量转化分析,提出两侧壁面湿润性不同情况下纳米通道中毛细流动发生的条件以及毛细流动快慢的判别依据。研究结果加深了对纳米尺度下毛细流动机理的认识,并为相关工程应用提供理论参考。     

TiO2/ZnO纳米薄膜界面热导率的分子动力学模拟

采用平衡分子动力学方法及Buckingham势研究了金红石型TiO₂薄膜与闪锌矿型ZnO薄膜构筑的纳米薄膜界面沿晶面[0001](z轴方向)的热导率.通过优化分子模拟初始条件中的截断半径r_c和时间步后,计算并分析了平衡温度、薄膜厚度、薄膜截面大小对热导率的影响.研究表明,薄膜热导率受薄膜温度和厚度的影响很大,当温度由300 K升高600 K时,薄膜的热导率逐渐减小;当薄膜厚度由1.8 nm增大到5 nm时,热导率会逐渐增大;并在此基础 关键词： 热导率 分子动力学 2/ZnO纳米薄膜界面')" href="#">TiO₂/ZnO纳米薄膜界面 数值模拟     

纳米流体热导率和粘度的分子动力学模拟计算

本文采用分子动力学(MD)模拟来计算纳米流体比较重要的热物性:热导率和粘度,与已有实验结果比较符合 较好,为进一步研究纳米流体传热效率提供了依据。     

Influence of surface scattering on the thermal properties of spatially confined GaN nanofilm

Gallium nitride(GaN), the notable representative of third generation semiconductors, has been widely applied to optoelectronic and microelectronic devices due to its excellent physical and chemical properties. In this paper, we investigate the surface scattering effect on the thermal properties of GaN nanofilms. The contribution of surface scattering to phonon transport is involved in solving a Boltzmann transport equation(BTE). The confined phonon properties of GaN nanofilms are calculated based on the elastic model. The theoretical results show that the surface scattering effect can modify the cross-plane phonon thermal conductivity of GaN nanostructures completely, resulting in the significant change of size effect on the conductivity in GaN nanofilm. Compared with the quantum confinement effect, the surface scattering leads to the order-of-magnitude reduction of the cross-plane thermal conductivity in GaN nanofilm. This work could be helpful for controlling the thermal properties of Ga N nanostructures in nanoelectronic devices through surface engineering.     

约束条件下的硬球流体

利用密度泛函理论和分子动力学方法 ,对处于两平行硬墙之间的硬球流体的密度分布进行了计算 .通过比较两种方法的结果 ,发现在墙之间距离较大时 ,Rosenfeld密度泛函理论的结果与分子动力学模拟的结果符合很好 ;当两堵墙间的距离很小时 ,这两个结果之间存在明显的不一致 .另外 ,还研究了约束条件下密度分布的结构     

The magnetic field dependence of the deformation potential materials in the square well confinement potential

We study the optical Quantum Transition Line Shapes (QTLS) which show the absorption power and the Quantum Transition Line Widths (QTLW) of electron-deformation potential phonon interacting systems. In order to analyze the quantum transition, we compare the magnetic field dependencies of the QTLWand the QTLS on two transition processes, namely the intra-Landau level transition process and the inter-Landau level transition process. We apply the Quantum Transport theory (QTR) to the system in the confinement of electrons by square well confinement potential. We use the projected Liouville equation method with Equilibrium Average Projection Scheme (EAPS).      

黑体辐射公式的多种推导及其在近代物理构建中的意义(Ⅰ)

黑体辐射是近代物理史上一只会下金蛋的鹅,是近代物理的摇篮。黑体辐射研究的意义还在于这是唯一一个涉及c,k,h三个普适常数的物理情景。黑体辐射谱抗测量误差的特性带来了辐射标准和绝对温度参照,谱分布公式对模型的不敏感则使得黑体辐射成为独特的物理研究母题。黑体辐射谱分布公式,普朗克多角度推导过,德拜推导过,艾伦菲斯特推导过,劳厄推导过,洛伦兹和庞加莱深入讨论过,泡利推导过,玻色推导过,爱因斯坦在20多年的时间里多角度推导过且产出最为丰硕,近代还有从相对论角度的推导,每一个角度的推导都带来了物理学的新内容,这包括量子力学、固体量子论、受激辐射、量子统计、相对论统计,等等。认真回顾黑体辐射研究的历史细节,考察其中的思想概念演化,不啻于体验一次教科书式的学(做)物理之旅,比如也可以尝试给出能量局域分立化的简单新证明。     

The fundamental surface science of wurtzite gallium nitride

A review is presented that covers the experimental and theoretical literature relating to the preparation, electronic structure and chemical and physical properties of the surfaces of the wurtzite form of GaN. The discussion includes the adsorption of various chemical elements and of inorganic, organometallic and organic species. The focus is on work that contributes to a microscopic, atomistic understanding of GaN surfaces and interfaces, and the review concludes with an assessment of possible future directions.