电介质薄膜中的稳态导热与法向导热系数的尺寸效应

通过非平衡分子动力学（NEMD）模拟预报了纳米电介质薄膜的法向导热系数,采用各向异性的非平衡分子动力学方案模拟了固体氩薄膜中垂直于膜平面的稳态导热,考察了对应于平均温度为45K的薄膜法向导热系数与膜厚度的关系,在氩薄膜厚度为2.124-10.62nm的范围内,薄膜法向导热系数显著低于相同温度下的大体积材料的实验值,并随膜厚度的减小而降低,具有显著的尺寸效应,在弛豫时间近似条件下得到的声子Boltzmann输运方程的近拟解表明,该尺寸效应归因于纳米薄膜的边界对载热声子散射作用的增强。     

填充氩后单壁碳纳米管的导热系数

采用平衡态分子动力学(EMD)模拟方法,计算了填充氩后的(10,10)型和(15,15)型的单壁碳纳米管分别在不同温度下的导热系数.研究了它们随温度的变化情况,并将其与相应的空的碳纳米管的导热系数进行比较,分析在相同温度下,充氩对碳纳米管导热系数的影响.模拟结果发现:在500~1 200 K的温度范围内,(10,10)型碳纳米管和(15,15)型碳纳米管在填充了氩后其导热系数值均随着温度的升高呈下降趋势,这与空的碳纳米管的导热系数随温度的变化关系相似;在相同温度下,这2种类型的碳纳米管在填充了氩后的导热系数值均比相应的空的碳纳米管的导热系数值明显高很多.     

电介质薄膜导热系数的尺寸效应

为研究电介质薄膜中的导热机制以及薄膜厚度对导热系数的影响 ,以氩的 FCC晶体为模型 ,采用分子动力学方法计算了厚度约为 2～ 10 nm的薄膜的法向导热系数。计算得到对应于 12 0 K的薄膜导热系数显著低于大体积实验值 ,并随薄膜厚度的减小而降低 ;即纳米薄膜的晶格导热系数具有明显的尺寸效应。当薄膜厚度减小至纳米量级时 ,即使在较高温情况下 1.3ΘD,晶体边界对声子的散射也将起重要作用。对氩晶体分别选取了 L ennard- Jones作用势和一种软球作用势 ,考察了不同势能模型对于模拟结果的影响     

硅纳米线热传导的分子动力学模拟

采用非平衡态分子动力学方法模拟了硅纳米线的热传导性能,并对其主要影响因素作了分析.模拟结果表明:在相同的温度区间(800~1 500 K)内截面形状为正方形的纳米线的导热系数要比体态硅小2个量级,且随着温度的上升,导热系数随之下降;当模拟温度固定时,导热系数随着纳米线长度的增加而增加,并趋于一个收敛值;同时当纳米线的截面面积增加时,导热系数也随之增加;当纳米线表面存在缺陷时,其热传导系数小于无缺陷纳米线的值.     

二氧化硅薄膜导热系数试验研究

根据3ω方法测试原理，搭建了薄膜导热系数测试平台．在40—170K温度范围内，测试等离子体增强化学气相淀积(PECVD)方法制备的SiO2薄膜导热系数，同时测试了掺杂体态硅基底的导热系数．测试结果表明：在这个温度范围内，SiO2薄膜的导热系数随着温度升高而增大；杂质对体态硅的导热系数存在很大的影响．基于Callaway模型对体态硅导热系数测试结果进行拟合得到的掺杂浓度与实际值吻合较好，表明3ω方法测试原理不仅可以用来测试纳米薄膜的热传导系数．还可用来测定体态硅基底的掺杂浓度．     

纳米氩颗粒导热性能的非平衡分子动力学模拟

为了研究尺寸变化对纳米颗粒导热的影响,采用非平衡分子动力学模拟方法研究了固定原子壁面边界条件下,平均温度在45 K、边长为3.186～12.744 nm的立方形和半径为4.248～10.62 nm的球形2种纳米Ar颗粒的热导率,并与其他研究者的结果及薄膜的模拟值进行了对比.模拟结果表明,在固壁边界条件下, 2种颗粒的热导率均随着尺寸的增加而趋向块体值,但均小于相同厚度、相同边界条件的Ar薄膜的热导率;球形颗粒的热导率小于边长与其半径相等的立方形颗粒的热导率.     

超晶格薄膜热传导的分子动力学模拟

采用非平衡态分子动力学方法模拟了超晶格薄膜的热传导性能，并对其主要影响因素作了分析．模拟结果显示，周期长度固定的超晶格薄膜，界面热阻在总热阻中的比例和导热系数同周期数无关；当超晶格薄膜的膜厚不变时，导热系数将随着周期长度的增大而增大，但由于超晶格薄膜晶格常数的不匹配，使其内部发生明显的几何形变，这种变化关系也愈加复杂，同时周期长度的增加，平均界面热阻也随着增大，揭示了界面热阻不仅取决于界面层的物理条件，而且也与构成的介质内部形变有着重要关系．     

不同水分子模型凝结系数的分子动力学模拟对比研究

采用平衡分子动力学（EMD）方法模拟研究了水的凝结过程，用“特征时间法”统计得到4个不同温度下5种不同水分子模型（SPC、SPCE、TIP3P、TIP4P和TIP5P）的凝结系数．模拟结果表明，不同模型得到的凝结系数都随温度的升高而减小．在相同温度下，凝结系数的统计结果表明：当温度高于400K时，凝结系数按SPCE、TIP4P、TIP3P、SPC、TIP5P模型呈递减趋势，并且TIP4P和TIP3P模型的凝结系数相近；当温度低于400K时，5种模型凝结系数的统计结果相差不大．发现TIP5P模型在温度约高于520K时得不到明显的汽液两相区，无法统计高温下水的凝结系数．     

金纳米薄膜面向导热系数的实验研究

基于电子束物理气相沉积法制备纳米薄膜的悬浮工艺，采用一维稳态恒热流加热法实验测量了80—300K厚度为23nm金薄膜的面向导热系数．研究表明金纳米薄膜的面向导热系数有非常显著的尺寸效应：金纳米薄膜的面向导热系数大大低于体材料的值，并且导热系数随温度的升高而增大，这一趋势与体材料导热系数的温度依赖性相反；同时，金纳米薄膜的Lorenz数大约为体材料值的3倍，并且随着温度的升高有减小的趋势，表明Wiedemann-Franz定律对于金纳米薄膜不再适用．     

不同结构单壁碳纳米管热传导的分子动力学模拟

采用基于线性响应理论的平衡态分子动力学方法,计算了扶手椅型和锯齿型单壁碳纳米管(SWNTs)的导热系数,并给出其随管长、直径和温度的变化.在此基础上,对2种结构SWNTs的热传导性能进行了比较.模拟结果表明:SWNTs的导热系数在管长较短时随着管长的增加有所浮动但并不收敛,随温度的升高,导热系数将降低;2种结构SWNTs的导热系数均随着直径的减小而升高,且在相同直径时,不同结构碳纳米管的导热系数相差不大,这与输运方程进行理论求解的结果较为一致.     

Thermal conductivity of nanoscale thin nickel films

The inhomogeneous non-equilibrium molecular dynamics (NEMD) scheme is applied to model phonon heat conduction in thin nickel films. The electronic contribution to the thermal conductivity of the film is deduced from the electrical conductivity through the use of the Wiedemann-Franz law. At the average temperature of T=300 K, which is lower than the Debye temperature ΘD=450 K, the results show that in a film thickness range of about 1?11 nm, the calculated cross-plane thermal conductivity decreases almost linearly with the decreasing film thickness, exhibiting a remarkable reduction compared with the bulk value. The electrical and thermal conductivities are anisotropic in thin nickel films for the thickness under about 10 nm. The phonon mean free path is estimated and the size effect on the thermal conductivity is attributed to the reduction of the phonon mean free path according to the kinetic theory.     

Molecular dynamics study on thermal conductivity of nanoscale thin films

A simple and effective model of heat conduction across thin films is set up and molecular dynamics simulations are implemented to explore the thermal conductivity of nanoscale thin dielectric films in the direction perpendicular to the film plane. Solid argon is selected as the model system due to its reliable experimental data and potential function. Size effects of the thermal conductivity across thin films are found by computer simulations: in a film thickness range of 2–10 nm, the conductivity values are remarkably lower than the corresponding bulk experimental data and increase as the thickness increases. The consistency between the approximate solution of the phonon Boltzmann transport equation and the simulation results ascribes the thermal conductivity size effect to the phonon scattering at film boundaries.     

均质非平衡态分子动力学模拟铜薄膜的热导率

为研究微电子器件中薄膜的“超常”传热行为，基于等温线性响应理论（LRT）和嵌入原子法（EAM）势函数，采用均质非平衡态分子动力学方法，对铜薄膜的热导率进行了计算机数值模拟，给出了铜薄膜热导率与薄膜厚度及温度之间的关系，模拟结果符合Flik关于微尺度薄膜导热的判据并与其他文献的实验数据基本一致，表明该方法和结果可以利用于微电子器件中的微尺度传热及热应力问题的分析。     

纳米尺度孔隙内气体导热系数的分子动力学模拟

应用Lennard-Jone作用势,在300K和0.1MPa条件下,对边长20nm的立方体孔隙内氮气的导热系数进行了平衡分子动力学模拟. 结果得出分子分速度和速率的分布与统计力学得到的Maxwell速度和速率分布曲线基本一致,并且分子的平均自由程受到孔隙壁的严格限制. 通过Green-Kubo关系式计算得出了孔隙内氮气的导热系数,并与文献中的结果进行了比较,模拟结果接近于实验值,仅为同样条件下自由空间氮气的导热系数的1/3左右.     

An atomic level study on the out-of-plane thermal conductivity of polycrystalline argon nanofilm

At present, there have been few direct molecular dynamics simulations on the thermal conductivity of polycrystalline nanofilms. In this paper, we generate polycrystalline argon nanofilms with random grain shape using the three-dimensional Voronoi tessellation method. We calculate the out-of-plane thermal conductivity of a polycrystalline argon nanofilm at different temperatures and film thicknesses by the Muller-Plathe method. The results indicate that the polycrystalline thermal conductivity is lower than that of the bulk single crystal and the single-crystal nanofilm of argon. This can be attributed to the phonon mean-free-path limit imposed by the average grain size as well as the grain boundary thermal resistance due to the existence many grain boundaries in polycrystalline materials. Also, the out-of-plane thermal conductivity of the polycrystalline argon nanofilm is insensitive to temperature and film thickness, and is mainly dominated by the grain size, which is quite different from the case of single-crystal nanofilms.     

氩晶体导热性质的低维效应

为研究维数降低对材料导热性质的影响规律,采用非平衡分子动力学方法研究了60~120K氩晶体体材料和理想一维及二维低维结构材料的导热性质。计算得到氩晶体低维材料的热导率明显高于体材料的值,这不同于常规意义上由于界面等因素对载热粒子的散射作用而导致材料热导率减小的尺寸效应。氩晶体理想二维材料较之体材料的热导率有成倍的提高,而理想一维材料较之体材料热导率的增加可达到数十至数百倍。研究还表明低维材料导热性质的低维效应在较高的温度条件下更为显著。     

压-电场耦合下纳米尺度水输运的MD模拟

运用分子动力学方法构建了纳米尺度的输运模型,针对纳米通道内水分子的流动与传热特性,分析了通道内压-电场耦合下水的速度分布、密度分布、自扩散系数和黏度等流动特性,同时也讨论了温度对通道内热导率的影响.模拟结果表明,速度轮廓从单纯电场驱动的电渗流型开始转变,由于压力的影响,速度分布呈抛物线型,速度随温度的升高而增大；温度的...     

Molecular dynamics simulations of non-Fourier heat conduction

Unsteady heat conduction is known to deviate significantly from Fourier＇s law when the system time and length scales are within certain temporal and spatial windows of relaxation. Classical molecular dynamics simulations were used to investigate unsteady heat conduction in argon thin films with a sudden temperature increase or heat flux at one surface to study the non-Fourier heat conduction effects in argon thin films. The studies were conducted with both pure argon films and films with vacancy defects. The temperature profiles in the argon films showed the existence of mechanical waves when the thin film was suddenly heated and the wave nature of the heat propagation. The flux phase relaxation time, Zq, and the temperature phase relaxation time,τt, were calculated from the temporal variations of the energy flux and temperature distribution in the film. Comparisons of the MD temperature profiles with temperature profiles predicted by Fourier＇s law show that Fourier＇s law is not able to predict the temperature variations with time. Different film thicknesses were also studied to illustrate the variation of the time needed for the films to reach steady-state temperature profiles after a sudden temperature rise at one surface and to illustrate the finite speed of the energy waves.     

静电植绒法制备石墨微鳞片高导热界面材料

为了制备高导热、低热阻的大面积导热界面材料,使用静电植绒法在高电压静电场下垂直取向石墨微鳞片,取向后的石墨微鳞片阵列在平面方向上呈现无规且紧凑的结构。通过微粉灌注法向石墨微鳞片中填充高密度聚乙烯（HDPE）或聚氨酯微粉,或者通过液态刮涂法填充低黏度硅橡胶前驱体,加热固化后,形成大面积高导热界面材料。导热性能测试结果表明：石墨微鳞片阵列（粒径1 000 μm）与柔性聚氨酯微粉复合形成的导热膜在68.95 kPa和689.5 kPa的压力下测得的垂直方向导热率分别为4.3 W/（m·K）和8.7 W/（m·K）;与柔性硅橡胶复合形成的导热膜在68.95 kPa和344.75 kPa的压力下测得的垂直方向导热率分别为2.0 W/（m·K）和4.1 W/（m·K）;与硬质HDPE微粉复合形成的导热膜由于表面过于粗糙和坚硬,无法测得可靠的导热率。实际散热效果显示,柔性硅橡胶导热膜与石墨纸贴合的散热结构能够将热聚集点的热量快速传递到石墨纸表面,并通过石墨纸层均匀散开。