硅晶体热传导性能的分子动力学模拟VIP专享VIP免费

程FO第25卷第3期2004年5月工热物理学报JOURNALENGINEERINGTHERMOPHYSICSVo1.25,No.3May,2004硅晶体热传导性能的分子动力学模拟杨决宽1陈云飞1,“庄苹1蒋开1颜景平1(1.东南大学机械工程系，南京210096;2.东南大学MEMS教育部重点实验室，南京210096)摘要曲线.基于硅色散关系的实验值，给出硅晶体导热系数的经典分子动力学模拟所必需的温度、导热系数的量子化修正应用平衡态分子动力学算法模拟了硅晶体在热系数比自然硅高60%a-75%，但随着温度的下降，关键词导热系数;分子动力学;晶体硅300700K温度区间内的导热系数，模拟结果表明，理想硅晶体的导模拟结果的准确性下降。中图分类号:TK124;0414文献标识码:A文章编号:0253-231X(2004)03-0454-03MOLECULARDYNAMICSSTUDYONTHERMALCONDUCTIVITYOFSILICONCRYSTALYANGJue-Kuan'CHENYun-Fei',2ZHUANGPing'JIANGKai'YANJing-Ping'(1.DepartmentofMechanicalEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China;2.MEMSLaboratoryofChinaEducationalMinistry,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China)AbstractThetemperature-dependentthermalconductivityofsiliconcrystaliscalculatedusingequilibriummolecular-dynamicssimulationinthetemperaturerange300700K.Quantumcor-rec-tionsareintroducedinthesimulationprocesstomodifythesimulationtemperatureandthethermalconductivity.Theresultsshowthatthethermalconductivityofsiliconcrystalisabout6075per-centhigherthanthatofnaturalsilicon,andtheprecisionofthesimulationresultsdecreaseswiththedecreaseoftemperature.Keywordsthermalconductivity;moleculardynamics;crystalsilicon1引言分子动力学(MolecularDynamics,MD)方法通过求解有相互作用的各个粒子(原子、分子)的运动方程，得到每个粒子的空间位置、运动状态随时间的演进状况，从而统计出材料的宏观行为特性[l]。同实验相比，采用MD模拟可以有效地将热传导的各种影响因素独立出来分别给予研究，为深入分析热传导的微观机理提供帮助。由于硅是现代电子、计算机工业的基石，是MEMS的主要原材料，因此，对其热性能的研究倍受关注【2-4]。Volz和Chen[2]采用平衡态分子动力学(EquilibriumMolecularDynamics,EMD)方法模拟了硅晶体在不同温度下的导热系数，模拟结果表明基于Green-Kubo方程的EMD算法具有明显的尺寸效应。Volz等进一步采用频谱导热系数(spectralthermalconductivity)和外推技术(extrap-olationtechnique)消除了尺寸效应。在量子化修正时，Volz等忽略了零点能(zero-pointenergy)的影响，这将给温度的量子化修正带来偏差。Lee等[3]使用EMD方法计算了胶态硅(amorphoussilicon)的导热系数，发现胶态硅的最高热导率出现在400K附近.肖鹏等[4]采用MD方法及声子气动理论模型研究了单晶硅薄膜法向导热性能，结果表明薄膜中的声子平均自由程比体态硅明显减小。本文着力于硅晶体导热系数EMD模拟技术的探讨。首先基于硅晶体色散关系，考虑到零点能的影响，给出模拟温度、导热系数的量子化修正曲线。在此基础上，讨论硅晶体的导热系数随温度的变化趋势，为进一步研究掺杂硅晶体中的声子传输特性奠定基础。收稿日期:基金项目:作者简介:2003-12-22;修订日期:200403-10国家自然科学基金资助项目(No.50276011;NO.50275026)杨决宽(1972-)，男，江苏连云港人，博士研究生，主要从事微尺度传热方面的研究。万方数据3期杨决宽等:硅晶体热传导性能的分子动力学模拟2量子化修正一3EMD!模拟、结果与讨论在经典分子动力学中，原子或分子被视为经典选用Stilinger-Weber(SW)两体一三体作用势粒子，系统温度由Boltzmann能量均分定理给出Ill3__._二刀kB1砧DL2艺m;v?(1)描述硅原子间的相互作用[s]，并假设势能为相互作用的各粒子均分。在EMD中，各向同性材料的导热系数由Green-Kubo关系给出[1]N为模拟区域的粒子总数，kB为Boltzmann常数，TMD表示系统模拟温度，。‘、v‘分别为粒子‘的质量和速度。当温度低于材料Debye温度时，由于系统比热同温度相关，等式(1)不再成立，即系统实际温度T笋TMD。为了从经典MD模拟中得到正确的仿真结果，必须对模...