【摘要】：由于具有優(yōu)異的物理和化學性質(zhì),低維半導體納米結(jié)構(gòu)和納米材料,如一維硅納米線/管、二維層狀磷烯薄膜等,在新型納米電子/光電子器件領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛在應用價值。在諸多的性能當中,納米器件的熱輸運性質(zhì)引起了科學家們的廣泛關(guān)注。隨著器件尺寸降至納米尺度,其熱輸運性能與塊體材料截然不同。而且,隨著電子/光電子器件尺寸的減小,體系工作時的散熱也將嚴重削弱器件的性能。因此,探索高熱導特性的新型納米電子/光電子器件,以打破摩爾定律極限,進一步提高器件性能已經(jīng)成為該領(lǐng)域迫切需要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。在納米尺度下,材料體系可以看成是由核殼兩部分組成的分層結(jié)構(gòu)。由于晶格結(jié)構(gòu)周期性的終止,材料表面殼層中的原子鍵缺失將導致其具有低的配位數(shù)。隨著材料尺寸的減小,表面殼層所占的體表比隨之升高,表面原子的鍵長收縮和變短使得體系自發(fā)弛豫,從而誘使整個核殼體系處于新的能量狀態(tài)并導致其輸運性質(zhì)的改變。雖然目前在低維納米結(jié)構(gòu)熱輸運性質(zhì)的實驗和計算方面取得了一些進展,但存在的一些基礎(chǔ)問題尚未解決:如尺寸和溫度對一維半導體納米結(jié)構(gòu)聲子散射幾率的物理機制、界面對聲子透射幾率和界面熱阻、幾何效應與體系界面熱導之間的的理論關(guān)系不清楚等等。因此,基于表面原子鍵弛豫理論和聲子動力學模型,本論文從原子尺度研究了一系列低維半導體納米材料中的熱輸運性質(zhì),包括一維硅納米線和硅納米管的熱導率、硅/鍺核殼納米線的界面熱阻和熱導率、幾何效應對納米多孔薄膜的熱導率的影響以及黑磷/二氧化硅異質(zhì)結(jié)界面熱導的界面效應等。而且,基于彈簧振子模型和拉格朗日動力學方法,研究了單軸應變對單層黑磷薄膜Raman振動頻率的影響。主要的研究成果如下:(1)研究了一維硅納米線(管)熱導率的尺度和溫度效應,并建立了微觀鍵參數(shù)與熱導率的理論關(guān)系。我們發(fā)現(xiàn)隨著硅納米線(管)尺寸的減小,聲子的散射幾率將增大,其會導致聲子弛豫時間減小,進而熱導率隨之減小。隨著溫度的升高,有更多的聲子參與晶格振動,導致聲子熱容增加;同時,聲子與聲子間的散射幾率增大,使得聲子弛豫時間減小。聲子熱容的增加和聲子弛豫時間的減小共同作用于一維硅納米線(管),導致其熱導率隨溫度的升高出現(xiàn)先增加后減小的現(xiàn)象。此外,在一維硅/鍺核殼納米線中,體系界面的存在會產(chǎn)生界面熱阻,其會降低聲子的界面跳躍幾率,導致聲子透射率降低,使得其熱導率相比與裸線更低。(2)建立了幾何參數(shù)依賴的納米多孔硅薄膜熱導率的理論模型。計算結(jié)果表明,多孔硅薄膜中不僅存在表面原子配位缺陷引起的表面效應,而且孔與孔之間的彈性相互作用也會對體系的熱輸運性質(zhì)產(chǎn)生影響。具備負曲率特征的納米孔內(nèi)表面鍵弛豫和孔間相互作用會降低體系的總能,引起多孔硅薄膜熱輸運性質(zhì)發(fā)生改變。薄膜厚度和孔周期性長度的降低均會減小多孔薄膜的平均聲子速度,導致其聲子熱導率的降低。(3)提出了黑磷/二氧化硅異質(zhì)結(jié)尺寸依賴的界面熱導模型。發(fā)現(xiàn)黑磷與二氧化硅襯底間的界面應變會改變異質(zhì)結(jié)界面處的聲子耦合強度,并進一步影響到異質(zhì)結(jié)的界面熱導。隨著黑磷厚度的減小,自平衡應變引起界面失配應變的減小,使得界面粘附能和界面耦合強度增加,導致黑磷/二氧化硅界面熱導升高。同時,溫度的升高會激發(fā)更多的聲子參與晶格振動,導致聲子流密度增加。(4)基于彈簧振子模型和拉格朗日動力學方法,從原子尺度探索了單軸應變對單層黑磷Raman振動頻率漂移的影響。計算結(jié)果表明,由于黑磷獨特的晶格褶皺結(jié)構(gòu),在黑磷的扶手椅型方向和鋸齒型方向施加應變時,原子的鍵長和鍵角表現(xiàn)出了取向依賴的變化,導致A2、B2g和Ag1三種振動模式表現(xiàn)出了不同變化趨勢和速率。其中,Ag2和B2g隨著扶手椅型方向的單軸應力的增加而藍移,隨著鋸齒型方向的單軸應力的增加而紅移;Ag1隨著扶手椅型方向單軸應變而發(fā)生紅移,隨著扶手椅型方向單軸應變而發(fā)生藍移。
【圖文】：

1.2 熱輸運理論簡介一般認為[21]，熱量 Q 會在溫度分布不均的固體中從高溫一側(cè)流向低溫一側(cè)，此稱為熱傳導現(xiàn)象。這種現(xiàn)象可以用經(jīng)典的傅里葉定律來描述：dTJdx (1.2-1)J 是單位時間通過單位橫截面積的熱量，即熱流密度。比例系數(shù) 為熱導率。固體按照導電性能可以分為導體、半導體和絕緣體。在導體中的熱量傳輸主要依靠的是電子運動導熱，而在半導體和絕緣體中則主要依靠的是晶格振動來導熱，或者說是依靠聲子的運動來導熱[22, 23]。在本論文中，研究對象是一維或者二維的半導體材料，因此，這里主要討論的是聲子傳熱機制。圖 1.1 (a) 中央處理器芯片冷卻系統(tǒng)示意圖[16] (b) 熱電設備示意圖[20]

01=2l r l rJ J J f f d (1.2根據(jù)熱導定義，熱導的表達式為 012l rG f f dT (1.2這里l r T T T指的是體系左右的溫差。當體系左右溫差足夠小時，左側(cè)的子分布函數(shù)應等于右側(cè)聲子分布函數(shù)。此時利用泰勒函數(shù)將上式做關(guān)于溫度的一次展開可得 0 01 1=2 2T Tf fG T d dT T T (1.2聲子是玻色子，服從玻色-愛因斯坦分布。設 T 是體系所處的平均熱浴溫度，，圖 1.2 一維納米體系熱傳導示意圖
【學位授予單位】：湖南師范大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TB383.1;TN303

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本文編號：2640437