《低維半導體功能材料力-熱-電多場耦合特性的理論研究》是依託浙江大學，由朱林利擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：低維半導體功能材料力-熱-電多場耦合特性的理論研究
- 依託單位：浙江大學
- 項目負責人：朱林利
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
本項目將對半導體功能材料低維結構在多物理場，如應力場、電場、溫度場等，作用下的力學、電學、熱學行為和特性進行深入系統的研究。採用連續介質力學方法、電磁理論和輸運理論建立多場耦合模型，研究半導體低維結構物理力學性能(如彈性模量、屈服應力、聲子熱導率、載流子遷移率等)的力-熱-電多場耦合作用，探討低維尺度下不同物理場與功能材料巨觀性能以及結構尺寸之間的內在關聯。針對半導體功能材料在低維尺寸下的力學、電學和熱學特性，考慮表面/界面效應和量子效應，研究外加物理場作用下材料性能的改變以及可能出現的新的物理現象。通過對上述低維尺度下關鍵多物理場耦合問題的研究，本項目的成果將給出半導體功能材料低維結構各種巨觀性能耦合行為的微觀機理，指出提高半導體材料功能特性如熱電效應的各種可能途徑，為低維半導體材料在納機電系統和納電子器件的套用提供有效的理論基礎。
結題摘要
在微/納米電子器件及系統中，半導體材料的力學、熱學以及電學性能是這些套用中至關重要的材料參數。這些材料參數將會受到在具體套用中存在的物理環境場的影響，如應力場、溫度場以及電磁場等，從而影響半導體材料的功能特性。本項目針對在不同物理場作用下納米結構材料的力學、熱學及電學性能參數的耦合行為，採用連續彈性理論、輸運方程、電磁場理論等進行系統的理論研究。 首先，採用連續彈性模型分析了GaN納米薄膜和納米線材在預應力場作用下的聲子特性和聲子熱導率；同時考慮表面應力/表面能的影響，進一步探討了在表面應力作用下的GaN納米薄膜聲子特性和熱學性能。計算結果表明：預應力和表面應力可以顯著改變GaN納米結構的聲子特性，如聲子群速度和態密度，從而使得聲子熱導率表現出應力場耦合效應，並且這些應力場也對聲子熱導率的尺寸效應和溫度依賴性產生影響。 其次，基於連續彈性模型和表面彈性理論，我們進一步分析了量子限域效應下Si納米線材在預應力場和表面應力作用下的聲子特性、熱學和電學性能，以及給出了慮及表面應力效應的納米結構多晶線材的屈服強度的解析表述。計算結果表明：應力場有效地改變了Si納米線材的聲子特性以及聲子-電子相互作用，從而引起Si納米線材的熱導率和載流子遷移率的應力場耦合效應；此外，表面應力只有在納米線材直徑較小的情況下才會對線材的屈服強度產生影響。 最後，通過求解Boltzmann聲子輸運方程，結合彈性理論模型，考慮了表面散射效應對量子限域GaN納米薄膜的熱學性能的影響，推導出GaN納米薄膜的橫向和軸向聲子熱導率的解析表述。計算結果表明：表面散射顯著降低了GaN納米薄膜的聲子熱導率，同時增強了GaN納米薄膜聲子熱導率的尺寸效應。另外，我們還進一步分析了表面電荷或存在外加電場時，表面性能的改變對GaN納米薄膜聲子特性和熱學性能的影響,以及探討了壓電效應與GaN納米薄膜的聲子和熱學性能之間的定量關係。 在本項目的資助下，相關研究結果已在著名國際期刊發表SCI論文7篇，其中浙江大學TOP期刊5篇，並培養了碩士生兩名。本項目的研究成果，不僅可為解決微納米電子器件中納米結構材料的材料性能的多場耦合問題提供一定的理論指導，也可為通過應變/應力工程和表面/界面工程來調控不同納米結構半導體材料的物理力學性能提供了一種可行而有效的思路。
