● 摘要
随着微纳米技术的发展，微电子器件的尺寸已经达到了纳米量级。其散热问题以及对微纳米器件的热设计已经成为了研究重点，所以必须全面了解半导体材料在纳米尺度下的热输运性质。实验表明，在纳米尺度下，材料的传热性能与其在宏观尺度下有着明显的区别。由于在实验和理论方面存在诸多困难，分子动力学方法成为研究微尺度传热问题的有力工具。基于此，本文采用分子动力方法模拟研究了纳米尺度下单质薄膜与界面的热输运行为，结合晶格振动理论深入研究了其内部物理机制。主要研究工作包括：
采用非平衡态分子动力学方法模拟了尺寸、温度、缺陷掺杂以及面内应变对Si薄膜厚度方向热导率的影响。结果表明，随着薄膜厚度的减小，声子平均自由程减小，热导率将表现出空间上的微尺度效应。而温度升高使得平均声子数增大，降低了声子的弛豫时间，从而降低了热导率。掺杂或空位缺陷对热导率的影响主要来源于其对高频声子的影响，高频声子容易与作为缺陷的掺杂原子之间发生散射，从而降低了声子的弛豫时间，进而影响热量的传递。
通过对不同面内应变状态下硅薄膜热导率的模拟，结果表明拉伸会降低热导率。随着拉伸应变的增加，高频声子表现出明显的红移，即频率减小，而压缩导致高频声子的蓝移，即频率增大。声子群速度的降低以及高频声子间作用增强是主要因素。通过对色散关系进一步的分析表明，横向光学支(TO)声子群速度的改变是导致面内应变下传热性能改变的重要因素。
采用非平衡态分子动力学方法模拟了尺寸、温度、界面缺陷对Si/SiO2薄膜材料界面热阻的影响。与热导率一样，随着模型尺寸的增大，更多的长波声子可以出现在体系中，而长波声子决定着薄膜的传热性能，界面热阻表现出明显的尺寸效应。随着温度的升高，有更多的声子被激发出来，界面一侧的高频声子经过散射过程产生了低频声子，更容易穿过界面。而界面缺陷抑制了热流的传输，导致界面热阻的增大。