复杂微纳系统热输运的蒙特卡洛模拟

发布时间：2020-10-24 16:56

　　 微纳尺度传热是当今热科学的重要发展方向,由于电子元件的高度集成化和热电材料的不断发展,微纳尺度下热输运性质的深入探索成为一个重点关注问题。在本文中我们利用改进的蒙特卡洛法KMC(动力学蒙特卡洛方法)模拟了不同模型下的声子热输运问题,通过与已有解析解的对比验证了方法和程序的准确性,并研究了纳米孔隙结构中的热输运过程,通过对比各尺寸下不同孔隙分布及孔隙率等参数对热导率的影响,并进一步通过对各频率对热导率的贡献细节解释了具体原因。研究发现,孔隙的存在削弱了低频长自由程声子对热导率的贡献比例,不同分布情况的孔隙对声子的阻碍作用差别很大,热输运表现为明显的弹道过程;孔隙的形状与孔隙率对热导率影响很大,在孔隙率较小的情况下,孔隙周长和迎向热流的界面长度是主要因素,随着孔隙率的增大,孔隙间最短距离(颈部)成为主要控制因素,距离越短,热导率越小。复杂微纳结构中另一重要的问题是界面,在理论方面,AMM(声学失配模型)与DMM(漫射失配模型)模型是预测界面热导的两种传统模型,但只限于完全镜面或完全粗糙的情况,只在较小范围内与实际值相符合。本文研究了不同界面模式对热导的影响以及具体原因,分析了影响热导的具体因素。发现低频长自由程声子的处理方式及透射率的重要影响,同时发现是否考虑声子的相干性对热导率也有很大的影响。通过过模拟TTR(三维超短脉冲激光瞬态热反射)实验,发现KMC方法在解决半无限大,温差非常小的情况下优势明显。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TK124
【部分图文】：

的热学理论中，认为热传导是基于局部热平衡的扩散过程，在以定义并确定物体中任意位置处的平衡温度。在特征长度 l 小于平均自由程 Λ）的条件下，局部热平衡假设失效。定义克努森数 所示是 Kn 在不同情况下声子输运过程的示意图。对于宏观传热此时热输运处于扩散模式，材料内声子间散射占主导地位，材料局部热平衡假设成立；对于微观尺度下的热传导，Kn >> 1，此道过程，对于自由程较长的声子，可以直接从一侧边界到达另一间散射，此时在局部区域内的温度定义受声子能量影响，声子能度决定。这种高度非平衡态难以定义实际温度，故考虑局部区域于一个平衡态，可以用该绝热系统的最终平衡温度表示此时局部称为等效平衡温度。弹道散射过程声子间散射少，声子与边界作极端的情况，如特征长度 l 值接近原子尺寸或者几个纳米大小，力学和量子力学的理论实时模拟单个原子的运动情况，此时需要。对于 Kn ~ 1 这种过渡过程，既存在声子间散射，也有部分声如何准确且快速地处理这种尺寸下的热输运过程是目前一个研究

图 2-2 周期性边界条件出1 21 21 21 2( ) ( )( ) ( )eq eqeq eqeq eq eq eqT T T Teq eq eq eqT T T Tf f f f f ff f f f f f 1 21 2, ,1 2, ,1 2d eq d eqT Td eq d eqT Te e e ee e e e 所有从右边界出去的粒子都会从左边界对应的位置重新性质不变，从左边界出去的粒子从对应的右边界回到区当平衡温度在空间分布不均匀，则需要在周期性边界上两个边界成对的发射符号相反的粒子。具体存在温度梯处理在 2.3.5 节中阐述。

图 3-1 一维面外热输运模型.6 0.8 1.065ps162ps500ps1ns5ns20ns0.0 0.2 01234localheatflux(Wm-2) 108时间的变化 b) Si 材料内维瞬态输运问题及温度和热流随度高于初始温度，认为携带偏度上升并逐渐扩散到整个材料在两端存在温度跳跃。对于热
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本文编号：2854733