微纳米介电结构界面热量传递与界面热阻研究

界面热阻对微纳米结构的传热影响非常大，但是目前的研究还很不充分，对影响界面热阻和热整流的物理机制了解的还不透彻。本项目通过拓展现有的理论、数值方法和测量手段，深入揭示影响界面热阻与热整流的因素和物理机制，改进现有的热阻模型。项目研究的主要内容有：1）利用声子波包模拟方法研究不同频率、不同入射角度下声子在界面的透射和散射特性，分析界面热阻和热整流现象；2）考虑晶界界面热阻随温度、晶界类型/角度/晶界能量等物理量的变化，采用分子动力学以及声子波包模拟方法对比研究多晶材料典型晶界界面全频域和单频声子的热阻特性；3）利用分子动力学及声子波包模拟方法对纳米结构界面热阻和热整流现象进行模拟，从声子的单频特性、态密度分布等多角度分析总结影响因素和物理机制；4）发展实验测量方法，实现介电材料间界面导热特性的测量；5）对比不同的数值方法和实验测量结果，总结评估影响界面热阻的因素，改进界面热阻模型。

界面热阻与结构对微纳米结构的传热影响非常大，但是目前对影响界面热阻和热整流的物理机制了解的还不透彻。本项目通过拓展现有的理论、数值方法和测量手段，深入揭示影响界面热阻与热整流的因素和物理机制，改进现有的热阻模型。主要研究成果包括如下。1）建立了分子动力学模拟纳米多晶材料热导率的模拟方法，模拟了多晶材料热导率，发现晶粒的尺寸是影响其热导率的关键因素，相比于单晶材料，温度、薄膜厚度等影响明显下降；对晶界的等效热阻进行了分析计算。2）模拟计算了不同频率下的声子在扭转晶界界面处的散射特性，获得了能量透射率与频率、晶界扭转角、晶界能等的关系，研究发现低频声子的透过率很高，但是高频声子的透过率低。3）对于不同纳米结构进行了声子散射模拟，发现了热整流的存在，结构上的不对称性是造成热整流的关键；4）对于硅锗聚合物的声子透射进行了研究，发现了干涉和尺寸效应，并且基于波动传递理论建立了描述模型；5）对于纳米复合薄膜进行了分子模拟计算及实验测量研究，采用声子波包方法研究了其散射特性；Al/Si和Al/Si3N4/Si复合薄膜界面热阻的测量结果表明其界面热阻随着薄膜厚度无明显变化，与以往的分子动力学模拟获得结果一致。6）对于现有热导率模型和边界散射模型进行了改进，并应用于超晶格和纳米线结构热导率的预测，获得了与实验结果更好的符合结果；7）对于不对称固-液系统进行计算，通过改变参数得到明显热整流现象；8）模拟了硅烯和硼烯这两种新材料的热学性质，获得了热导率随着手性、温度和尺寸的变化；9）对多种结构单层硅烯进行模拟，获得了空穴分布与形状对热流和热整流的影响。.借助声子波包模拟方法研究了一维原子链、纳米复合材料中的声子透射特性，建立了适用于含周期多排布颗粒复合材料的多次透射反射模型，预测结果与波包直接模拟相吻合。同时系统地研究了声子波包在材料中的分裂特性，分析表明声子波包按照材料色散关系完成分裂过程，这为计算材料色散关系提供了新的思路。.采用三维Voronoi方法构建多晶结构、实现了纳米多晶材料热导率的直接分子动力学模拟，在此基础上研究了纳米多晶体材料以及纳米多晶薄膜热导率特性。结果表明纳米多晶材料的热导率远低于单晶材料热导率，这主要由晶界热阻及声子平均自由程受晶粒尺寸限制所引起。平均晶粒尺寸是影响纳米多晶材料热导率的最重要因素，可以通过控制平均晶粒尺寸的方法来调控纳米多晶材料热导率。.依据结构