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《江苏大学》 2006年
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基于分子动力学的氮化铝热导率的研究

沈敏  
【摘要】: 近来,具有微小特征空间尺度和时间尺度的传热问题备受研究者的关注,微尺度传热的研究不仅有助于利用低维结构来提高热电制冷效率,而且可以为MEMS、计算机芯片等的结构设计及热优化提供帮助。电介质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,对于器件的热管理和热电藕合优化设计具有重要意义。目前对于厚度为1~100nm之间的薄膜,热导率的试验测试非常的困难。在该尺度下,分子动力学(MD)模拟是有效的研究方法。本文将用分子动力学模拟方法,对氮化铝体材料及薄膜材料的热导率进行深入的研究。 在纳米尺度范围内,氮化铝薄膜的热导率的试验值和数值模拟结果都很缺乏,为了保证结果的可靠性,本文采用先体材料后薄膜材料的逐步逼近的研究方法。首先,采用平衡分子动力学方法和周期性边界条件模拟大体积氮化铝材料的热导率。在该平衡分子动力学模拟中,采用Stillinger—Weber势函数和Green—Kubo线性响应理论来计算氮化铝体材料的热导率。然后采用非平衡分子动力学方法及分别采用周期性边界条件、固定边界模型模拟纳米尺度氮化铝薄膜的热导率。模拟结果和现有的试验数据吻合的较好,验证了程序的可靠性,证明了分子动力学方法应用在模拟微纳米尺度薄膜导热方面的可行性。最后,在上述分子动力学模拟的基础上,模拟了由于氧原子的存在引起的铝空位(点缺陷)对氮化铝材料热导率的影响。 本文分别用平衡和非平衡分子动力学方法研究了氮化铝材料的法向热导率。结果表明:大体积材料的热流在模拟的时间范围内能够很快驰豫到平衡,模拟的热导率值在德拜温度下与他人的试验值吻合的较好。薄膜的法向热导率显著小于宏观大体积的值;保持薄膜的温度和系统内热流不变,薄膜的法向热导率随薄膜厚度的增加呈近似线性增加的关系;保持薄膜厚度和系统内的热流不变,薄膜的法向热导率随着温度的升高趋于平衡。点缺陷对热导率影响的模拟结果显示热导率显著的降低,可能的原因是声子在遇到缺陷点时出现了强烈的散射。
【学位授予单位】:江苏大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2006
【分类号】:TB383.2

【引证文献】
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【参考文献】
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