硅晶体热传导性能的分子动力学模拟

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1、程第25卷第3期工热物理学报Vo1.25,No.3OF2004年5月JOURNALENGINEERINGTHERMOPHYSICSMay,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曲线.应用平衡态分子动力学算法模拟了硅晶体在300700K温度区间内的导热系数，模拟结果表明，理想硅晶体的导热系数比自然硅高60%a-75%

2、，但随着温度的下降，模拟结果的准确性下降。关键词导热系数;分子动力学;晶体硅中图分类号: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,Nanjing21009

3、6,China;2.MEMSLaboratoryofChinaEducationalMinistry,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China)AbstractThetemperature-dependentthermalconductivityofsiliconcrystaliscalculatedusingequilibriummolecular-dynamicssimulationinthetemperaturerange300700K.Quantumcor-rec-tionsareintroducedint

4、hesimulationprocesstomodifythesimulationtemperatureandthethermalconductivity.Theresultsshowthatthethermalconductivityofsiliconcrystalisabout6075per-centhigherthanthatofnaturalsilicon,andtheprecisionofthesimulationresultsdecreaseswiththedecreaseoftemperature.Keywordsthermalconduc

5、tivity;moleculardynamics;crystalsilicon1引言(spectralthermalconductivity)和外推技术(extrap-分子动力学(MolecularDynamics,MD)方法通olationtechnique)消除了尺寸效应。在量子化修正过求解有相互作用的各个粒子(原子、分子)的运动时，Volz等忽略了零点能(zero-pointenergy)的影方程，得到每个粒子的空间位置、运动状态随时间响，这将给温度的量子化修正带来偏差。Lee等[3]的演进状况，从而统计出材料的宏观行为特性[[l]。使用EMD方

6、法计算了胶态硅(amorphoussilicon)同实验相比，采用MD模拟可以有效地将热传导的的导热系数，发现胶态硅的最高热导率出现在400各种影响因素独立出来分别给予研究，为深入分析K附近.肖鹏等[[4]采用MD方法及声子气动理论热传导的微观机理提供帮助。模型研究了单晶硅薄膜法向导热性能，结果表明薄由于硅是现代电子、计算机工业的基石，是膜中的声子平均自由程比体态硅明显减小。MEMS的主要原材料，因此，对其热性能的研究本文着力于硅晶体导热系数EMD模拟技术的倍受关注【2-4]。Volz和Chen[2]采用平衡态分子探讨。首先基于硅晶体色散关系，考虑到零

7、点能的影动力学(EquilibriumMolecularDynamics,EMD)方响，给出模拟温度、导热系数的量子化修正曲线。在法模拟了硅晶体在不同温度下的导热系数，模拟结此基础上，讨论硅晶体的导热系数随温度的变化趋果表明基于Green-Kubo方程的EMD算法具有明势，为进一步研究掺杂硅晶体中的声子传输特性奠显的尺寸效应。Volz等进一步采用频谱导热系数定基础。收稿日期:2003-12-22;修订日期:200403-10基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.50276011;NO.50275026)作者简介:杨决宽(1972-)，男，江苏连云港

8、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