文档介绍：江苏大学
硕士学位论文
基于分子动力学的氮化铝热导率的研究
姓名:沈敏
申请学位级别:硕士
专业:机械电子工程
指导教师:杨平
20061201
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、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。目前对于厚度为玪之间的薄膜,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,采用坪虶线眭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闳毕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江苏大学硕士学位论文
关键菰;法向热导率显著小予宏观大体积的值;保撩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麓热流不变,薄膜酶法向熬导率随着溢度的升高趋予擎衡。熹缺陷对热鼹率影响的模拟结果显示热导率照著的降低,可能的原因是声子在遇至壁锏闼至饲苛野旧⑸洹热导率,氮化铝,分子动力学,声子平衡,模拟的热导率健在德拜温度下与他人的试验值吻合的较好。薄膜的汪苏太擎硕士学位论文
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指导教师签名:方易刁学位论文版权使用授权书学位论文作者签名:多忆氲艾保密口,在不保密口本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于年解密后适用本授权书。年∥月日年葜籰箩
独创性声明学位论文作者签名:多九够乙本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。日期:年,耭岁日
第一章绪论§课题背景本章阐明了微尺度热传输领域的基本概念、微尺度传热的国内外研究现状、分子动力学在微尺度热传输领域的广泛应用、模拟氮化铝陶瓷薄膜热导率的意义和本文研究内容、研究路线。在微电子器件的设计中,传热分析是非常重要的问题。任何不可逆输运过程中能量的耗散必然有一部分是以热的形式体现的。对高能流密度的微电子机械系统,能量的耗散和热量传递问题及其与此相关的器件热安全问题尤为突出。年代中期,每个芯片上就有鲈<淙幻扛鲈<墓β屎苄。庋叩募啥仁沟萌攘髅芏雀叽/。如此高的热流密度,假如没有相应的冷却技术,可以把器件熔化。可是要在毫米甚至微米量级的器件尺度上把这样高的热量带走,传统的冷却技术和传热法则已不再适用。进入年代以来,微米纳米技术发展很快,随着器件特征尺寸的进一步减小,以及微、纳米激光加工的特征时间的缩短徊郊泳缌硕源炒妊提出的挑战,迫切要求弄清微尺度下传热的特点和规律,在国际上也形成了微尺度传热这一个新的分支学科。产生微尺度效应的原因可以分成下面两类:当物体的特征尺寸跣≈劣朐靥辶W肿印⒃印⒌缱印⒐庾拥的平均自由程涣考妒奔磀保橹实囊恍┖观概念和规律不再适用,热导率不再与物体的尺寸无关,也不再是一个状态量,而是一个和温度、尺寸等有关的过程量。研究证实⋯,薄膜材料的热导率是薄膜厚度的函数。减小到纳米范围时,微尺度效应更加明显。物体的特征尺寸远大于载体粒子的平均自由程,保橹实募俣ㄈ匀怀闪ⅲ怯捎诔叨鹊奈⑾福乖锤髦钟跋煲蛩的相对重要性发生了变化,从而导致流动和传热规律的变化。在微尺度传热领域很多问题