【摘要】：隨著制造技術(shù)的不斷進步,電子器件已經(jīng)向納米尺寸發(fā)展,從而高集成度導(dǎo)致其熱效應(yīng)越加嚴重、散熱問題愈加突出,這就對微米納米電子器件的熱穩(wěn)定性和可靠性提出了更高的要求。石墨烯等單原子層薄膜是具有優(yōu)異電子、機械性能的納米材料,在未來微米納米電子器件的應(yīng)用上具有很廣闊的應(yīng)用前景。而憑借其優(yōu)異的熱傳導(dǎo)性質(zhì),納米管可以成為設(shè)計微米納米電子器件的重要元件。單原子層薄膜和納米管的熱傳導(dǎo)性質(zhì)決定著它們的散熱能力,也與它們的熱穩(wěn)定性和可靠性有著密切聯(lián)系�？梢�,單原子層薄膜和納米管熱傳導(dǎo)性質(zhì)的研究對于微米納米電子器件的合理設(shè)計和可靠使用具有很重要的意義。一直以來,人們研究材料熱傳導(dǎo)性質(zhì)的常用方法主要是基于牛頓經(jīng)典力學(xué)的方法——玻爾茲曼傳輸方程法和經(jīng)典分子動力學(xué)模擬。但由于電子器件尺寸發(fā)展已經(jīng)達到納米級別,使得器件性能受到量子效應(yīng)的影響越來越明顯,而前面兩種經(jīng)典方法忽略了量子效應(yīng),會在低溫等量子效應(yīng)比較明顯的場合產(chǎn)生一定的誤差;而且分子動力學(xué)模擬方法復(fù)雜,計算量大,不利于我們模擬粒子數(shù)較大的體系。因此本文采用考慮量子效應(yīng)且計算要求低、速度快的晶格動力學(xué)模擬方法來研究單原子層薄膜和納米管的熱傳導(dǎo)性質(zhì)。以下是本文主要的研究內(nèi)容和結(jié)論:1.單原子層薄膜和納米管的晶格動力學(xué)理論本文在現(xiàn)有的晶格動力學(xué)理論的基礎(chǔ)上,推導(dǎo)了單原子層薄膜和納米管的晶格動力學(xué)矩陣,求解其本征值問題,得到了它們晶格振動的頻率即聲子頻率公式、原子位移公式、原子動量公式、晶格振動能量公式、晶格振動群速度公式,并在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)了單原子層薄膜和納米管原子間相互作用的三階非和諧勢能公式。將三階非和諧勢能作為微擾,運用Green函數(shù)理論推導(dǎo)了單原子層薄膜和納米管的聲子Green函數(shù),并由Green函數(shù)極點的虛部得到聲子譜線寬度的迭代公式。根據(jù)迭代計算得到的聲子譜線寬度的結(jié)果,還計算了聲子自由程。計算結(jié)果表明單原子層薄膜和納米管的低頻聲子譜線寬度隨波矢減小而減小,即其聲子壽命隨波矢減小而增加;并且低頻聲子的聲子自由程要遠大于高頻聲子的聲子自由程。2.單原子層薄膜和納米管的熱傳導(dǎo)性質(zhì)本文在hardy能量通量公式的基礎(chǔ)上,推導(dǎo)了單原子層薄膜和納米管晶格振動的能量通量公式,再運用Green-Kubo公式推導(dǎo)得到單原子層薄膜和納米管的熱傳導(dǎo)系數(shù)公式,該公式表明單原子層薄膜和納米管的熱傳導(dǎo)系數(shù)為所有聲子的熱傳導(dǎo)系數(shù)之和。而單個聲子的熱傳導(dǎo)系數(shù)與其速度、聲子能量、聲子壽命(或譜線寬度)和自由程密切相關(guān)。利用Matlab分別對單原子層薄膜和納米管熱傳導(dǎo)系數(shù)隨尺寸變化的關(guān)系進行了仿真,結(jié)果表明,單原子層薄膜的熱傳導(dǎo)系數(shù)隨薄膜尺寸增加而增加,并且經(jīng)數(shù)據(jù)擬合發(fā)現(xiàn),當其尺寸超過40*40原子層時,熱傳導(dǎo)系數(shù)與尺寸的對數(shù)階呈線性關(guān)系,由此可見,當尺寸趨向無窮時,其熱傳導(dǎo)系數(shù)呈發(fā)散趨勢;納米管軸向熱傳導(dǎo)系數(shù)隨其長度增加而增加,當長度趨近無窮時,其熱傳導(dǎo)系數(shù)也趨向無窮而發(fā)散,另一方面,納米管熱傳導(dǎo)系數(shù)隨其口徑增大而減小。這些結(jié)論為微米納米電子器件設(shè)計中散熱問題的解決提供了理論依據(jù)。
【圖文】：

因為大塊晶體中有行波的存在，其振動位移還可以用如下式子表示 , eit 2 .11meut kRll在（2.9）式中代入（2.10）式，得到2 , (2.12 l'Bl DllBl考慮到大塊晶體對稱性的結(jié)構(gòu)特點，我們引入動力學(xué)矩陣元以便于計算 ; , 2 .13 'D Φ mm llll'上式就是 3 Nr 3Nr的晶格動力學(xué)矩陣。其中，k為格波波矢。在求解原子振動方程時，我們假設(shè)所有原子的運動方程相同。事實上，，對于一條原子鏈，兩端的原子與內(nèi)部原子的受力不同，運動方程也就不同，這給我們求解振動方程帶來很大麻煩。玻恩和卡曼設(shè)想如下一種方法

原子層薄膜和納米管的晶格動們介紹了大塊晶體的晶格動力學(xué)和聲子 位移、原子動量、晶格振動能量、三階非。本章將第二章中的大塊晶體晶格動力學(xué)到了單原子層薄膜和納米管的晶格動力學(xué)題，得到聲子頻率、原子位移公式、原子和諧勢能公式，并將三階非和諧勢能作為子譜線寬度的迭代公式。膜和納米管的結(jié)構(gòu)簡化計算，本文將對具有正方結(jié)構(gòu)的單原算，其晶體結(jié)構(gòu)分別如圖 3-1 和圖 3-2 y
【學(xué)位授予單位】：湖南師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TB383.1;TN03;TK124

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本文編號：2644309