纳尺度材料中能量输运及其调控的物理机制研究

发布时间：2021-07-07 06:10

　　随着集成电路三极管密度的不断提升和微机电系统尺寸的不断减小,热耗散问题变得越来越突出。尤其是当目前芯片的三极管尺寸降低到7纳米时,热耗散能力成为限制芯片性能最重要的因素,因为此时芯片产生的功率密度在100 W/cm²以上,若不能及时传递出来温度会很高从而影响其寿命和稳定性。现代半导体工业是基于硅材料,室温下体态晶体硅的热导率能达到150 W/m-K,其中有70%多的贡献来自于平均自由程超过100纳米的声子。然而芯片中三极管的尺寸普遍小于100纳米,因为材料的热输运属性在体态和在纳米尺寸时存在很大差异,故而研究纳尺度材料中的热输运属性变得很有意义。材料尺寸的降低除了改变材料内部的热输运属性外,也使得界面处的热输运属性变得尤为重要,这是因为尺寸的减小会导致面体积比的增大。本文通过格林函数方法研究了热载流子声子在界面处的输运属性;利用分子动力学模拟和第一性原理计算等方法研究了能量在各向异性低维材料中的输运属性。研究能量输运属性的目的是为了控制能量的输运,本文利用第一性原理方法研究了基于铁电材料固固相变的热开关,开关的通和闭通过电场引起的结构相变控制。对于能量的应用除了调... 

【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：148 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

一些材料室温下的热导率

东南大学博士毕业论文2事物的发展总是螺旋式前进的，在美国理论物理学家RichardFeynman1959年发表了著名文章“There"sPlentyofRoomattheBottom:AnInvitationtoEnteraNewFieldofPhysics”[3]之后，科学家的目光被吸引到微纳尺度。尤其是在纳米材料制备技术和测量技术的不断改进之后，热输运在纳米尺度下的研究又重新成为热点。图1-2显示了一些微纳尺度的器件。纳米尺度下热输运（图1-3）的研究相较于宏观尺度有很多优势，例如能够更好地理解热输运的机理、帮助解决高密度集成电路的散热问题以及指导发现高热导率材料和高转换效率的热电材料等。由于纳米尺度下材料的特征尺寸和声子的平均自由程相近或者更小，宏观尺度的热输运定律可能存在问题，因此理解建立纳米尺度下的热输运机制、发展相关的理论和模拟计算方法变得十分迫切而且具有重要的实际意义。本文就是研究在纳米尺度下能量输运及其控制的物理机制。图1-2一些微纳元器件。（a）声子热漏斗；（b）负折射率超晶格结构；（c）纳米机器人；（d）微齿轮。图1-3纳尺度热输运过程。（a）热扩散；（b）准弹道；（c）元扩散（c）（d）（a）（b）（a）（b）（c）

东南大学博士毕业论文2事物的发展总是螺旋式前进的，在美国理论物理学家RichardFeynman1959年发表了著名文章“There"sPlentyofRoomattheBottom:AnInvitationtoEnteraNewFieldofPhysics”[3]之后，科学家的目光被吸引到微纳尺度。尤其是在纳米材料制备技术和测量技术的不断改进之后，热输运在纳米尺度下的研究又重新成为热点。图1-2显示了一些微纳尺度的器件。纳米尺度下热输运（图1-3）的研究相较于宏观尺度有很多优势，例如能够更好地理解热输运的机理、帮助解决高密度集成电路的散热问题以及指导发现高热导率材料和高转换效率的热电材料等。由于纳米尺度下材料的特征尺寸和声子的平均自由程相近或者更小，宏观尺度的热输运定律可能存在问题，因此理解建立纳米尺度下的热输运机制、发展相关的理论和模拟计算方法变得十分迫切而且具有重要的实际意义。本文就是研究在纳米尺度下能量输运及其控制的物理机制。图1-2一些微纳元器件。（a）声子热漏斗；（b）负折射率超晶格结构；（c）纳米机器人；（d）微齿轮。图1-3纳尺度热输运过程。（a）热扩散；（b）准弹道；（c）元扩散（c）（d）（a）（b）（a）（b）（c）


本文编号：3269104