硅薄膜导热系数微尺度效应的临界尺寸.pdf

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1、第12卷第3期纳米技术与精密I程V01．12No．32014年5月NanOtechn0l0gyandPrecisionEngineeringM2014DOI10．13494／j．npe．20130086硅薄膜导热系数微尺度效应的临界尺寸苏高辉，杨自春，孙丰瑞(1．海军工程大学舰船高温结构复合材料研究室，武汉430033；2．海军T程大学动力工程学院，武汉430033)摘要：基于灰介质假设及拟合的色散关系，采用蒙特卡洛方法对微纳米硅薄膜内的声子热输运特性进行了模拟．将3m厚的硅薄膜导热系数的计算结果与文献结

2、果进行了对比，二者吻合较好．分析了厚度对薄膜内温度场及导热系数的影响．结果表明，3"-厚度小于某一尺度时，薄膜导热系数会随着厚度的减小而降低，呈现尺度效应；薄膜内温度场也不再是线性分布，而是在边界处呈现阶跃特性，且随着厚度减小，温度阶跃增大．基于该方法求得了100～400K温度区间内，硅薄膜法向导热系数出现明显尺度效应的临界尺寸．计算发现，随着温度的升高，临界尺寸变化范围很大，平均温度为100K时，临界尺寸约为50m，平均温度为400K时，临界尺寸约为2．5m，前后相差了一个数量级．关键词：硅薄膜；蒙特卡

3、洛方法；导热系数；声子热输运；尺度效应中图分类号：TK124文献标志码：A文章编号：1672-6030(2014)03—0176—06CriticalSizef0rMicroscaleEffect0fSiliconFilmThermalConductivity—SuGaohui一，YangZichun一，SunFengmi(1．InstituteofHighTemperatureStructuralCompositeMaterialsforNavalShip，NavalUniversityofEngine

4、ering，Wuhan430033，China；2．CollegeofPowerEngineering，NavalUniversityofEngineering，Wuhan430033，China)Abstract：Basedonthegraymediaapproximationandthefitteddispersionrelation，thephononheattransportinmicro—nanosiliconfilmswassimulatedwiththeMonteCarlomethod．Th

5、epredictedthermalconductivity(TC)ofsiliconfilmwith3txmthicknesswasingoodagreementwithliteratureresults．Theeffectofthethicknessonthetemperaturefieldandcross．planeTCofthesiliconfilmswasanalyzed．TheresultsshowthatwhenthethicknessiSlessthanacertainscale．theTC

6、ofthefilmdecreaseswiththede．creaseinthickness，whichexhibitsscaleeffect：thetemperaturefieldisnotinlineardistribution．butshowsdiscontinuouscharacteristicsattheboundary．andasthethicknessdecreases，thetemperaturedis—continuitydegreeinereases．Thecriticalsizeatw

7、hichTCbeginstoshowobviousscaleeffectwasobtainedatthetemperaturerangebetween100Kand400K．Calculatedresultsshowthatasthetemperaturein。creases，thecriticalsizedecreasessharply．Whentheaveragetemperatureis100Kthecriticalsizeis，about50m；whentheaveragetemperaturei

8、s400K，thecriticalsizeisabout2．5I．zm，whichshowsadifferenceofanorderofmagnitude．Keywords：siliconfilm；MonteCarlomethod；thermalconductivity；phononheattransport；scaleeffect近年来，微电子、光电子、热电材料、微／纳机电系热设计、热管理和热优化问题¨j．研究微尺度环境下统