《低维半导体结构传热的蒙特卡洛模拟与实验研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《低维半导体结构传热的蒙特卡洛模拟与实验研究（104页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、M o N T EC A R L oS I M U L A T I o N A N D E X P E R I M E N TS T U D Y o NH E A T T R A N S F E R I N L O V 江D I M E N S I o N A L S E M I C o N D U C T o R S T R U C T U R E S AD i s s e r t a t i o nS u b m i t t e dt o So u t h e a s tU n i V e r s i 够 F o rt h eA c a d e m i cD e g r e eo f D
2、o c t o ro fE n g i n e e r i n g B Y A N GZ a n S u D e r v i s e db yS U D e r V l S e db y P r o f C H E NY r u n f e i S c h o o lo fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g S o u t h e a s tU n i v e r s i t y M a r c h2 0 1 0 台嚣黔N慧谁盈馕 ， FIjt，t，i譬TftFI重日 煳必 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进
3、行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：盟日 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论
4、文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生 院办理。 研究生签名：兰堕导师签名： 日期：忽丝7 低维 低维半导体在一维或两 运过程与体态情况相比具 子输运的物理图像仍不清 动量子化为声子有利于研 洛方法是通过对随机变量 结构中的复杂运动。本文 构中的传输过程。 建立了硅纳米线热传导的蒙特卡洛模型，散射事件包含了边界散射、U 散射与杂质散射。模拟了 直径分别为2 2 m 、3 7 n I n 与5 6 姗的硅纳米线在1 5 K 3 1 5 K 温度范围内的热传导过程。结果显示：对于 直径为3 7 珊、5 6 姗的硅纳米线，随温度的升高热导率经历先迅速增大后逐渐减小的变化过程。对于 直径为2 2
5、册的硅纳米线，实验结果显示热导率随温度成线性增加。分析认为随着直径的减小，纳米 线表面的粗糙度对热导率影响将逐渐加强。在此基础上本文提出了计算粗糙度多重散射的方法，在 模型中考虑了多重散射对声子驰豫时间的影响，模拟结果与实验数据较符合。同时，采用该模型对 边界散射、U 散射、杂质散射在不同温度下的影响权重进行了分析，认为热导率变化曲线中，峰值 的偏移与边界散射所占权重有直接关系。在直径为2 2 衄的硅纳米线中，边界散射的权重在模拟温度 范围内始终占主导地位，热导率的变化趋势由边界散射决定，成线性增加。 建立了声子在变截面硅纳米线中的输运模型，以渐扩几何体与渐缩几何体为物理模型，分别研究 了等热
6、量与非等热量输入条件下两种模型的热整流效应和声子的输运特性。模拟结果表明：在以上 两种热量输入条件下，渐缩模型的热传导性能均高于渐扩模型，并且在非等热量输入的条件下，渐 缩模型的热整流效应要强于等热量输入条件下的热整流效应。两种物理模型的主要区别在于体积分 布不同，虽然在纳米尺度下边界散射作用明显，但模拟结果表明边界散射对热传导的影响小于体积 分布不同对声子输运的影响。 在散射失配模型基础上建立了硅锗超晶格薄膜的热传导蒙特卡洛模型，提出了基于色散曲线的超 晶格薄膜界面散射处理方法，即：声子由一种材料进入另一种材料，等价于由一种材料的色散曲线 I 东南大学博士学位论文 上某一点迁移至另一种材料色
7、散曲线上的一点或分解为某两点。若能够在另一种材料色散曲线中找 到能够容纳该声子频率的位置，则认为该声子有可能穿越界面，否则将被反弹。模拟结果显示：若 保持超晶格薄膜总厚度不变，增加界面数量，热导率将下降。若保持单层薄膜厚度不变，增加周期 数目，超晶格薄膜的热导率将增加。 采用蒙特卡洛方法模拟了不同电场强度和温度下电子与声子的耦合，分析了电子吸收和释放声子 的特性。结果显示：在低电场强情况下，模拟初期电子与声子的耦合表现为电子对声子的吸收与发 射相对平衡。随着模拟时间的增加，电子对声子的吸收散射逐渐减少，对声子的发射散射逐渐增加。 在相同温度下随着电场强度的增加，电子的平均自由程经历了一个先增大
8、后减小，最后趋于稳定的 过程。 采用3 方法测试了3 0 0 3 6 0 K 温度范围内A s i 0 2 纳米薄膜导热系数，实验结果表明：掺杂A g 纳米颗粒后，薄膜热导率要比现有的S i 0 2 薄膜提高了1 7 6 。 关键词：热电制冷，声子，蒙特卡罗模拟，热导率，纳米线，界面，超晶格，3 方法 l I 妻 毒 M O S E M I C o N D U C T o RS T R U C T U R E S B yW 蝌G Z a I lS u p e n ，i s e db yP r o C H E NY n - f e i S c h 0 0 1o fM e c h a n i c
9、a lE n g i I l e e r i n g ，S o u m e a S tU m V e r s i t ) ， A b s t r a c t L O w d i m e n s i o n a ls e m i c o n d u c t o rs 缸1 J c t I I r e sh a v en a n O s c a l es i z e si I lO n e - d i m e n s i o n a l0 r 帆o - d i m e n s i o n a l d i r e c t i o n s C o m p a r e dw i t hb u l ks
10、t n J c t u r e s ，t l l e r ea r ea p p a r e n td i 仃e r e n c e si nh e a t 仃i m s p o n ，b e c a u s eo ft h e q u a n t l l me f f e c t ，b o u n d a We 毹c t 锄di n t e a c ee f l 宅c t A tp r e s e n t t h et h e o r e t i c a lm o d e l so fh e a t 觚p o r ti 1 1 n a l l o s c a l el o w d i I l
11、 l e I l s i o n a l 鲫r L I c t u r e sa r en o tp e r f - e c t ，锄dt h ep h y s i c a li m a g e si sn o tc l e 盯e n o u g h m s e m i c o n d u c t o r S ，h e a tc o n d u c t i o no c c u r Sb yt 1 1 ei n t e r a c t i o n so fV i b r a t i n ga t o m s T h ec o n c e p to fp h o n o ni s a b s t
12、 r a c t e d 肋mt l l e s eV i b r a t i o 璐锄di m e r a c t i o n s M 0 n t eC 训o ( M C ) m 劬0 di sa s t a t i S t i c 印p r o a c ht 0s 0 1 V e t h ep r o b l e m so fp h y s i c sb yr a n d o mV 撕a b l e s S i n c et h e r ea r e 啪d o mp r o c e s s e si I lp h o n o I l s 胁p o n ，M C m e t h o di s
13、V e 巧s u i 诅b l ef o ri n V e s t i g a t i n gt h ed i s n 伯u t i o n so fp h o n o n si nl o w d i m e n s i o n a ln a n o s n _ u c t u r e s I n t h i sm e s i s ，也em a i l lt a 玛c ti sf o c u S e do n 也em e c h a I l i s m so fp h o n o n st r a n s p o r t ml o w - d i m e I l S i o n a l n 锄
14、。蛐m c t u r e s ，b ym e a n s0 fM Cm e t h o d 1 1 1 eM Cm o d e lo fo n e - d i m e n s i o n a ln a I l o w i r e s ( 阿s ) w a sb u i l t i nw h i c ht h eb o u n d a 巧s c a t t e r i n 舀U s c a n 硎n g 锄di m p 面t ys c a t t e r i n gw e r e 讪c l u d e d T l l es i l i c o nn a n o w i r e sw i m t
15、 l l ed i 锄e t e r so f2 2 衄，3 7 砌 a 1 1 d5 6 砌w e 陀s i m u l a t e da tt 1 1 et e m p e r a t u r e 啪g eo f15 Kt 0315 K T h er e s u l t ss h o w e dt h et h e 瑚a l c o n d u c t i V i t i e so f 3 7 n m 、5 6 n mn a n o w i r e sw e r ei nn o n l i n e a rd e p e n d e n c eo f t h et e m p e r a t
16、 u r e s H o w e V e r ，t h e e x p e r i m e n t a ld a t ai n d i c a t e dt h et h e m a lc o n d u c t i e so fn 锄o w 的w i mad i 锄e t e ro f2 2 m i I l c r e 嬲e dw i n l t e m p e 咖r e sl i n e 砌y W ec o n s i d e r e dt h a tt l er o u g h l l e s se f r e c tw o u l db e c o m em u c hm o r ea p p a r e n t ，w i t ht h e d e c r e a s i n gd i a l T l e t e r B 嬲e do nt l l ea n a l y s e s ，w ep r o p o s e dt h ec a l c u l a t i
