微納米介電結構界面熱量傳遞與界面熱阻研究

項目摘要

界面熱阻對微納米結構的傳熱影響非常大，但是目前的研究還很不充分，對影響界面熱阻和熱整流的物理機制了解的還不透徹。本項目通過拓展現有的理論、數值方法和測量手段，深入揭示影響界面熱阻與熱整流的因素和物理機制，改進現有的熱阻模型。項目研究的主要內容有：（1）利用聲子波包模擬方法研究不同頻率、不同入射角度下聲子在界面的透射和散射特性，分析界面熱阻和熱整流現象；（2）考慮晶界界面熱阻隨溫度、晶界類型/角度/晶界能量等物理量的變化，採用分子動力學以及聲子波包模擬方法對比研究多晶材料典型晶界界面全頻域和單頻聲子的熱阻特性；（3）利用分子動力學及聲子波包模擬方法對納米結構界面熱阻和熱整流現象進行模擬，從聲子的單頻特性、態密度分布等多角度分析總結影響因素和物理機制；（4）發展實驗測量方法，實現介電材料間界面導熱特性的測量；（5）對比不同的數值方法和實驗測量結果，總結評估影響界面熱阻的因素，改進界面熱阻模型。

結題摘要

界面熱阻與結構對微納米結構的傳熱影響非常大，但是目前對影響界面熱阻和熱整流的物理機制了解的還不透徹。本項目通過拓展現有的理論、數值方法和測量手段，深入揭示影響界面熱阻與熱整流的因素和物理機制，改進現有的熱阻模型。主要研究成果包括如下。（1）建立了分子動力學模擬納米多晶材料熱導率的模擬方法，模擬了多晶材料熱導率，發現晶粒的尺寸是影響其熱導率的關鍵因素，相比於單晶材料，溫度、薄膜厚度等影響明顯下降；對晶界的等效熱阻進行了分析計算。（2）模擬計算了不同頻率下的聲子在扭轉晶界界面處的散射特性，獲得了能量透射率與頻率、晶界扭轉角、晶界能等的關係，研究發現低頻聲子的透過率很高，但是高頻聲子的透過率低。（3）對於不同納米結構進行了聲子散射模擬，發現了熱整流的存在，結構上的不對稱性是造成熱整流的關鍵；（4）對於矽鍺聚合物的聲子透射進行了研究，發現了干涉和尺寸效應，並且基於波動傳遞理論建立了描述模型；（5）對於納米複合薄膜進行了分子模擬計算及實驗測量研究，採用聲子波包方法研究了其散射特性；Al/Si和Al/Si3N4/Si複合薄膜界面熱阻的測量結果表明其界面熱阻隨著薄膜厚度無明顯變化，與以往的分子動力學模擬獲得結果一致。（6）對於現有熱導率模型和邊界散射模型進行了改進，並套用於超晶格和納米線結構熱導率的預測，獲得了與實驗結果更好的符合結果；（7）對於不對稱固-液系統進行計算，通過改變參數得到明顯熱整流現象；（8）模擬了矽烯和硼烯這兩種新材料的熱學性質，獲得了熱導率隨著手性、溫度和尺寸的變化；（9）對多種結構單層矽烯進行模擬，獲得了空穴分布與形狀對熱流和熱整流的影響。藉助聲子波包模擬方法研究了一維原子鏈、納米複合材料中的聲子透射特性，建立了適用於含周期多排布顆粒複合材料的多次透射反射模型，預測結果與波包直接模擬相吻合。同時系統地研究了聲子波包在材料中的分裂特性，分析表明聲子波包按照材料色散關係完成分裂過程，這為計算材料色散關係提供了新的思路。採用三維Voronoi方法構建多晶結構、實現了納米多晶材料熱導率的直接分子動力學模擬，在此基礎上研究了納米多晶體材料以及納米多晶薄膜熱導率特性。結果表明納米多晶材料的熱導率遠低於單晶材料熱導率，這主要由晶界熱阻及聲子平均自由程受晶粒尺寸限制所引起。平均晶粒尺寸是影響納米多晶材料熱導率的最重要因素，可以通過控制平均晶粒尺寸的方法來調控納米多晶材料熱導率。依據結構

微納米介電結構界面熱量傳遞與界面熱阻研究

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