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氩纳米薄膜热传导分子动力学模拟

作　者: 唐小娟
导　师: 刘向力
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 薄膜热导率尺寸效应飞秒激光热波效应分子动力学模拟
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

厚度在纳米量级的薄膜作为功能组件和结构单元广泛应用于纳米技术、微电子与光电子技术等新兴领域中,其导热机理和导热特性对于相关微器件与微结构的热设计、热管理有着重要意义。纳米薄膜具有不同于宏观材料的热力学性质,通过实验手段直接进行测量研究则由于试样制备困难、仪器装置复杂昂贵等多种困难而难以实施。本文采用分子动力学(MD)方法,研究了FCC结构的氩[001]纳米薄膜的热力学性质如热导率、定容比热等,并探讨了快速加热(飞秒激光加热)在介质中的传播机理。本课题着重分析了热传导过程的两个效应:尺度效应和热波效应。首先采用了平衡分子动力学(EMD)的方法对氩纳米薄膜的热导率进行了模拟。模拟结果显示,x, y, z三个方向的热导率随着薄膜厚度的增加而递减,存在明显的尺寸效应,并且厚度z方向上的热导率受薄膜厚度影响更大;热导率随温度的升高而递减,与实验值的变化趋势一致。采用三种不同的方法计算了声子(晶格振动)的弛豫时间,分析了热导率的尺寸效应的机理。热是以扩散方式还是以波动方式传播一直是人们关注的问题,热波现象也是近几十年的研究热点。由于热波的存在条件极为苛刻(时间和空间尺度都很小),用常规的实验方法难以进行研究,而分子动力学方法能够较方便地模拟研究远离平衡态的热波问题。通过分子动力学模拟可以看到,飞秒激光加热过程中产生明显的热波,热波的传播速度是1464m/s。烧蚀阈值在飞秒激光加热时非常关键,因为能流密度在烧蚀阈值附近时,材料表面加工质量比较好。通过分子动力学模拟,对不同厚度的薄膜材料的烧蚀阈值进行模拟。结果表明,烧蚀阈值随薄膜厚度增加而增加,当薄膜厚度增加到一定值时,烧蚀阈值则趋于定值,这也是由于热导率的尺寸效应的缘故。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章绪论  8-19
  1.1 研究背景  8-9
  1.2 微尺度传热的例子  9-12
    1.2.1 SOI器件中的热传导  10-11
    1.2.2 超晶格薄膜的传热  11-12
  1.3 国内外微尺度传热学领域的研究现状  12-17
    1.3.1 实验测定  13
    1.3.2 理论分析  13-15
    1.3.3 分子模拟方法  15-16
    1.3.4 微尺度热传导主要研究结论  16-17
    1.3.5 微尺度热传导遇到的困难和挑战  17
  1.4 本文研究的主要内容  17-19
第2章分子动力学方法  19-39
  2.1 引言  19
  2.2 分子动力学的基本概念  19-31
    2.2.1 原子间作用势  20-21
    2.2.2 截断距离和长程作用力校正  21-22
    2.2.3 边界条件  22-23
    2.2.4 时间积分算法  23-27
    2.2.5 初始位置和速度  27
    2.2.6 分子动力学模拟的系综  27-29
    2.2.7 统计物理量  29-30
    2.2.8 分子动力学的局限性  30-31
  2.3 本课题的模拟方案  31-38
    2.3.1 势能函数、截断距离、边界条件、积分算法的选择  31-32
    2.3.2 初始位置和速度  32-33
    2.3.3 平衡计算  33-36
    2.3.4 无量纲化  36-37
    2.3.5 并行算法  37-38
  2.4 本章小结  38-39
第3章氩纳米薄膜热导率的分子动力学模拟  39-49
  3.1 引言  39-40
  3.2 NEMD  40-41
  3.3 EMD  41-48
    3.3.1 薄膜热导率  41-45
    3.3.2 声子的弛豫时间  45-48
  3.4 本章小结  48-49
第4章飞秒激光加热  49-58
  4.1 引言  49-52
  4.2 激光加热模拟结果及分析  52-56
  4.3 本章小结  56-58
结论  58-60
参考文献  60-68
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果  68-70
致谢  70

氩纳米薄膜热传导分子动力学模拟

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