硅纳米线导热系数的分子动力学模拟

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1、隶劫大·粤硕士学位论文万方数据硅纳米线导热系数的分子动力学模拟研究生：受远边指导教师：医筮堡副教攫东南大学机械工程学院二0一四年五月万方数据ThermalConductivityofSiliconNanowirebyMolecularDynamicSimulationsl删AThesisSubmiRedtoSoutheastUniversityFortheAcademicDegreeofMasterofEngineeringBYZHANGYuan．boSupervisedbyAssociateProfessorCHENMin—huaSch

2、oolofMechanicalEngineeringSoutheastUniversityMay2014万方数据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己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：张远渡日期．2D，4』·22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

3、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(包括以电子信息形式刊登)论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布(包括以电子信息形式刊登)授权东南大学研究生院办理。研究生签名：季苤缺师签名：二哟日期：丝!生多‘22万方数据摘要硅纳米线导热系数的分子动力学模拟研究生：张远波指导教师：陈敏华副教授东南大学机械工程学院摘要近几年，随着半导体行业的快速发展，硅纳米线由于其优良的机械

4、性能和电学性质，得到了广泛应用。本文使用非平衡态分子动力学方法对硅纳米线的导热系数进行了研究，原子间采用Stillinger-Weber(SW)作用势，讨论了不同温度、长度及横截面积下导热系数的变化，并且比较了微观表达式法和加减能量法两种不同的热流计算方法。结果表明，两种热流计算方法对尺寸较小的纳米线导热系数影响较小，当纳米线尺寸增大时，加减能量法更加稳定；当纳米线尺寸较小时，导热系数随模拟温度升高而减小，然而，随着纳米线的尺寸继续增大，导热系数会出现先降低后增大的趋势；纳米线导热系数随纳米线长度增加而增大，然后趋于稳定；纳米线导热系数随

5、模拟横截面积增加而增大，随着温度增加，增大的趋势减小，并且在纳米线尺寸较小时，更为突出。硅纳米线比大部分硅相关材料拥有更好的热电性能，并且通过杂质掺杂等方式，可以进一步增强纳米线的热电效率。基于前期工作，分别研究了单层掺杂、集中掺杂、随机掺杂、均匀掺杂、不均匀掺杂和立方体掺杂六种不同几何排布方式对硅纳米线导热特性的影响。分析表明，掺入杂质锗后降低了硅纳米线的导热系数，并且随着温度的增加而降低，但是在高温时，导热系数变化减缓并趋于平稳。同时发现，纳米线横截面积和长度对导热系数仍有影响；掺杂浓度对纳米线导热系数也有影响，当掺杂浓度较小时，导热

6、系数明显降低，在随机掺杂中当杂质锗的浓度为3．52％时，导热系数降低近50％；掺杂后纳米线的导热系数随着纳米线尺寸的增加而增加，当硅纳米线尺寸较大时，锗掺杂对纳米线导热系数的影响更为显著。结合经典的Cailaway模型，结果表明不同的杂质排布方式导致硅纳米线的导热系数不同。杂质排布的越不均匀，对导热系数的影响越大，所以集中掺杂方式对导热系数的影响最小，对于尺寸相对较小的纳米线，不均匀掺杂方式导热系数最小，而对于尺寸较大的纳米线，均匀掺杂方式导热系数最小，这是因为此时声子．界面散射和多次散射的作用增强。硅纳米线的热电性能可以通过掺杂等方式进

7、一步的提升，这为新型的热电设备研究提供了设计方向。关键词：非平衡态分子动力学；硅纳米线；导热系数；掺杂；杂质分布万方数据AbstractThermalConductivityofSiliconNanowirebyMolecularDynamicSimulationsByZHANGYuan··boSupervisedbyCHENMin·—huaSchoolofMechanicalEngineering，SoutheastUniversityRecentyears，withtherapiddevelopmentofsemiconductori

8、ndustry，siliconnanowires(SiNWs)areattractinggrowinginterestduetotheirexcellentmechanicalproperti