微纳米尺度下热传导主动调控的实验与模拟研究

发布时间：2020-04-18 06:39

【摘要】：随着电子元器件的发展进入纳米尺度,器件中的能量密度不断提高,散热问题已经是阻碍元器件发展的一个重要问题,探究微纳米尺度下材料的传热性质以及寻求主动调控的方法已经成为当下热门的研究课题。本文通过实验的方法研究了多种不同材料之间的热传导以及利用分子动力学模拟研究了如何主动调控黑磷纳米带的热传导,为使用微纳米材料时实现更高效率的热量控制和管理提供了理论参考。搭建了飞秒激光瞬态热反射实验平台用以测量热学参数。在这一技术中,利用飞秒激光器发出的脉冲激光来研究不同材料之间的热传导,一束脉冲激光经过分束器被分成两束功率不同的激光,较强的一束激光经过调制之后聚焦在样品表面;较弱的一束激光经过延时位移台之后到达加热区域对样品表面温度进行探测,因为样品的表面温度与基底和界面将紧密相关,所以利用相关的热学模型可以测量出未知参数。为了研究材料调制对热传导的影响,制备了Al/SiO_2、Au/SiO_2和Al/GaN三组样品用来研究相同基底不同薄膜和相同薄膜不同基底这两种情况下热传导的情况。利用DMM模型很好的将界面热导、声子透射率以及热扩散率比值联系起来,初步解释了声子在界面处的活动,界面热导值越大,热扩散率比值也就越大,同时薄膜声子速度与基底声子速度之比会下降。为了研究界面调制对热传导的影响,在界面处加入了石墨烯后探究热量的传导。结果表明经过石墨烯调制之后界面热导下降了一半,这主要是由于石墨烯的介入会增加声子散射。通过对黑磷纳米带施加拉伸应变来对热传导进行主动调控。无论是在扶手椅型方向上还是在之字型方向上,黑磷纳米带拉伸之后热导率都会增大,相比较之字型方向而言,扶手椅型方向上的热导率变化率较大。对于施加同样的应变,扶手椅型方向上热导率的增速明显大于之字型方向上热导率的增速。拉伸应变会导致声子态密度以及平均自由程的变化,从而引起热导率的变化。
【图文】：

示意图,钟频,功率,示意图

微纳米制造技术在微机电系统(Micro Electro 米材料加工领域应用广泛。其中，MEMS 在半导体广泛的前景，它能够将电子元器件中的芯片集成化，不断发展，此外，通过加工制造使得机械构件、驱动微型系统也是 MEMS 当前发展的趋势。成电路和电子芯片的集成度随着微电子技术的快速发's Law)表述：随着制造技术的发展，集成电路上可容历 18~24 个月，元器件的数量将会增加一倍，而且PU 功率随时钟频率增加成指数形式增加[1]。Intel 公roadwell 芯片，这款芯片采用了 14nm 制程工艺，该代表着世界先进的制造水平，但同时也带来了一个新的功耗问题。在如此小的面积上集成如此多的晶体管越来越大，许多芯片功率密度已经达到 100W/cm2,如密度不相上下。在微小的芯片上，大量的能量散发度上影响芯片的性能与可靠性，当芯片温度进入到，，芯片的可靠性和整体性能将会下降 5%。在半导体十几个原子大小，要想有效的控制热量的传递就必须构中的传递过程。

示意图,界面产生,温度降,热流

但热量的传递却只依靠其中的一部分声子模心的声学声子以及光学声子由于较低的声子群速而，由于缺陷[3]以及晶界[4]的存在，声子在传输的过程子在无散射情况下行进的平均距离有关，即平均自由程热导还与单位体积热容以及热运动的平均速度有关。代表的纳米结构中，由于界面密度高，所以在研究热对传热的影响[5],而后可以具体研究界面处增加介质到一般的纳米材料，寻求应变对传热的影响。热传导的研究现状苏联科学家 Kapitza 在研究铜与液氦的热运输时发现：(包括固体-液体界面，固体-固体界面，固体-气体界面，或者不连续而导致界面两侧温度不连续。这种现象称它的倒数也称为 Kapitza 热导也被称为界面热导。其表 = х 边1到边 2的净热流，单位为 W/m2K, 为界面热导，单度差，单位为 K。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB301;TQ126.31

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