文档介绍：湖南大学
硕士学位论文
半导体纳米线中弹道声子输运的理论研究
姓名:邹明亮
申请学位级别:硕士
专业:凝聚态物理
指导教师:黄维清
20100510
摘要采用散射矩阵方法研究了收缩一发散纳米线中弹道声子的输运特性。研究发现最窄近年来,人们对于微纳米结构的设计、制造以及纳米电子器件的应用展开了深入的研究并取得了很大的进展。随着制造工艺的进一步发展,纳米器件系统也会变得越来越复杂,同时人们注意到热效应对于纳米器件性能影响也越来越大,它将是影响和限制这些器件性能和稳定性的关键因素。为了设计实用的散热系统,了解热量在纳米尺度下的输运性质是非常重要的,如何控制固体中热量的输运成为当前人们非常关注的课题。本文主要研究了在不同的半导体纳米线中弹道声子的输运性质。利用散射矩阵方法,研究了材料弹性常数对双声子腔半导体纳米线声子输运对材料的影响。发现两个相同尺寸的声学纳米腔的材料性质显著影响弹道声子的输运,以及声子的共振频率,尤其是禁带的数目和低频禁带的位置。当两个声子腔由两种不同材料构成时,声子透射谱中将出现一个新的禁带。而且,他们的位置分别依赖于每个腔的材料参数。在低温下,两个声子腔用不同的材料参数构成时,能够提高整个半导体纳米线的热导。这些结果表明可以通过设计声子禁带和共振的形成来控制在不同温度范围内的纳米声子的热导。宽度和渐变区域的长度是影响声子输运的主要因素。最窄宽度的大小对总的声子透射系数具有决定性的影响。最窄宽度小,声子透射率小:最窄宽度大,声子透射系数和热导就越大。而渐变区域的长度明显影响着单模的输运性质。当渐变区域的长度较小时,单模透射呈现明显震荡;当渐变区域的长度较大时,震荡幅度减小,单模透射趋于平稳。这些结果可以为设计特殊性能的纳米器件提供理论依据和参考。关键词:半导体纳米线声子输运透射系数热导硕貉宦畚
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第滦髀引言一波长和平均自由程,既包括电子的也包括声子的。设计和制造在尺寸上与基本长度殊功能的产品。现代构造技术使我们能够构造尺寸限制在纳米范围内的二维、纳米技术在很多应用领域有着不可替代的应用前景,例如,计算机工业、医疗设备的生产、高精度的机械仪器的制备等。近十年来,人们对于微纳米结构的设计、制造以及纳米电子器件的应用展开了深入的研究并取得了很大的进展K孀胖圃旃ひ盏慕一步发展,纳米器件系统也会变得越来越复杂,但同时人们注意到热效应对于纳米器件性能影响越来越大,甚至于改变纳米器件的性能,使得器件性能完全偏离理论预期。例如,当晶体管温度较高,可能会导致漏电,这会严重影响到它的效率;当器件的特征尺寸进入纳米量级,需要通过表面散发的热量大大增加,而热效应将是影响和限制这些器件性能和稳定性的关键因素。为了设计实用的散热系统,了解热量在纳米尺度下的输运性质是非常重要的。因而人们对微尺度下的基本传热和流动过程中的理论和实验技术以及相应的微热器件制造方法的需求也就与日俱增,如何控制固体中热流的输运成为人们非常关注的课题。热在固体中流动主要靠两种能量载流子,即金属中的电子和绝缘体和半导体中的声子Ц裾穸,如果要控制它们的流动,我们必须识别两个基本的长度米尺度畈欢嗟墓烫褰峁鼓芎芎玫乜刂乒烫逯械娜攘鳌二十世纪六十年代,诺贝尔奖获得者ぱ裕何锢硌У亩刹排除一个原子一个原子制造物质的可能性。如果我们能够在细微尺度上对物体加以控制的话,就能获得许多异乎寻常的特性。纳米科技的迅速发展,正在使脑ぱ砸步步变为现实。纳米科技是世纪年代诞生并迅速崛起的新科技,是研究由尺寸在~之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。纳米科技的最终目的,是以原子、分子为基本单元去设计制造具有特一维或零维仪器。因此,有可能在某种程度上通过限制尺寸与电子波长和平均自由程相互作用操纵固体中的热流。热导率是热输运的一个基本参数,它反应了材料的热输运特性。只要整个系统的温度存在不同,就有热流,热能从温度较高的区域流向温度较低的区域。对于绝热系统,依靠系统的热通道,最终会达到稳定的热平衡。在宏观系统里,热流满足却导方程饫颙是热流,是温度梯度,H鹊悸省依赖于温度,在各向同性系统,且桓霰炅浚裨騥则是一个张量。对于成千上百个原子的系统,我们一般在求解薛定格谔方程时存在着巨大的困难,这要求要有强大的计算能力去支撑】。为简化计算,可忽略电子在不同能级之间的运动。硕上学位论文
低维热输运观的热传导存在明显的不同,这种方法不再适用,我们必须用第二种观点——量子输运对于粒子数目较多的系统目前一般用分子动力学模拟法,模型进行近似计算,这些方法尽管忽略了电子的运动,但模型还是与电子和热输运相联系。为了了解热导的内在机制,我们必须从原子尺度开