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1、第24卷第4期物理学进展Vol.24,No.42004年12月PROGRESSINPHYSICSDec.,2004文章编号:1000O0542(2004)04O0424O12固体微/纳米尺度传热理论研究进展吕曜,宋青林,夏善红(中国科学院电子学研究所,传感器技术国家重点实验室,北京100080)摘要:随着半导体技术的飞速发展,器件的尺寸已进入到微/纳米尺度。由于量子效应、表面及界面效应,使得微尺度下的热物性与宏观尺度下有了明显的区别。人们针对微观传热领域的特点,发展了声子玻尔兹曼传输方程、分子动力
2、学等方法,取得了一定的成果,但仍存在不少问题。一些基础概念问题,特别是非平衡态下的局域温度的定义,有待澄清。本文主要回顾近年来微/纳米尺度传热在理论和数值模拟方面的进展,以及目前所面临的挑战和问题。关键词:微/纳米尺度;热导率;声子玻尔兹曼传输方程;分子动力学中图分类号:TK124文献标识码:A0引言随着半导体技术和MEMS(MicroElectroMechanicalSystems)技术的飞速发展,器件的尺寸已进入到微/纳米尺度。集成电路以及其它微型器件集成度不断增大,特征尺度不断减小,散热问题
3、成为影响器件性能的关键因素之一,热传导分析对于设计和制作这些器件结构至关重要。由于量子效应、表面及界面效应,使微尺度下与宏观尺度下的热传导存[1]在明显不同。微尺度下实验测量对测试系统要求很高,有些参数则根本无法直接测量。理论和数值模拟研究可以弥补实验的不足,并进一步指导新结构新实验的设计。这一领域的理论研究目前仍处于不成熟阶段,对传热的认识主要基于傅立叶定律,Q=-J¨T,式中Q为热流,J为热导率,¨T为温度梯度,这构成了声子玻尔兹曼传输方程以及原子级模拟热导率的基础。而很多材料中的主要热载流子
4、声子在体材料中室温下平均自由程通常在1~100nm,与研究对象的尺度相当,而目前还没有一种解析表达可以[2]较好描述纳米结构尺度下声子波的特征。基于傅立叶定律,研究模拟微/纳米尺度传热目前比较流行的方法有两种。一种是分收稿日期:2004O09O25基金项目:国家973项目资助(G1999033102)作者Email:gopher0@sina.com4期吕曜等:固体微/纳米尺度传热理论研究进展425子动力学方法,它已经成为计算热导率和声子散射的有力工具,可以提供热传导的比较直观的物理图像。另一种是对
5、声子玻尔兹曼传输方程(BTE)方法进行数值求解,玻尔兹曼传输方程也是大多数宏观固体传热理论的基础。在BTE方法的理论框架下,无论是电子、声子传热,各种散射机制,都已有比较完善的表达方法,并已成功应用于解释均质体材[2]料中的电导对热导的影响、热电系数、热导率、同位素散射、以及量子效应等。BTE方法在计算单晶硅薄膜以及温度在10K以下的一些材料的热传导过程中取得了一定的成功,而计算一些相对复杂结构时遇到了不少困难。总而言之,在计算纳米尺度结构热传导时,两种方法都还有缺陷,需要进一步改进发展。纳米尺度
6、传热理论当前研究的热点主要集中在:不同材料间界面热阻热导率的计算,硅薄膜及相关结构的传热计算,模拟一维纳米结构的声子输运性质,计算各种纳米尺度聚合物、无定形材料、多孔材料以及超晶格结构的热导率等方面。界面性质在纳米尺度结构的热传导中占有重要地位,热导率的随结构尺寸变化很大一部分原因是界面传热所占比[2]重增加,而实验中所得到的界面热导率普遍小于已有理论的预测值。各种薄膜材料和结构的传热计算和数值模拟目前主要依赖BTE方法。但由于人们对BTE方法中所需的各种材料结构的声子散射率知之甚少,结果并不理想
7、。科学家们在模拟室温下单晶硅的热传导,低温条件下多晶硅的热传导方面取得了比较好的结果,但其它方面则与实验结果有一定差距,对多晶和无定形材料仅能给出最低热导率。此外,微观传热领域还面临一些基础理论问题有待澄清,例如微观尺度下非平衡态的温度如何定义等,都有待未来进一步探索解决。本文主要是对当前微观传热理论的进展和存在的问题进行简单的介绍和评述。其内容包括:一.简单回顾一些实验结果和实验方法,二.简要介绍当前比较常用的两种数值理论模拟方法,三.概括介绍当前该领域的一些热点问题,最后讨论该领域基础理论中存
8、在的问题。1一些实验方法和实验结果近些年来,人们通过实验发现并证实薄膜的热导率与其体材料相比有很大的差别,一[3]般认为这种现象主要由边界效应和结构差异造成的,但是由于测试技术本身的差异以及所测材料、环境的差异,结论还不一致,需要进一步的研究。目前已发展了多种薄膜热[4,5][6,7][8][9~11]导率测试技术:静态法、3X方法、瞬态反射测量法、扫描热显微镜技术、光[12,13][14][17][19]热偏转法、红外成像技术及全息干涉法、微分光声法、热波延迟法等。目前,有关薄膜
