纳米多孔/颗粒复合结构的热特性调控研究

随着微电子和光电器件集成度的提高，器件的特征尺寸不断缩小，其中的热流密度不断增加，为了保证器件可靠性和稳定性，需要材料具有高热导率。与此同时，为了提高热电器件的性能，又需要材料具有低热导率。因此对于材料热导率调控的研究也就显得日益重要和迫切。纳米多孔/颗粒复合结构材料在单位体积中具有较大的界面面积，界面效应能对其物理特性产生显著影响。本课题基于Boltzmann 输运方程方法，综合考虑声子限制效应和各种散射机制，对纳米多孔复合结构、嵌埋在基质中的周期性纳米线/纳米颗粒阵列和紧密型纳米复合结构的热学特性进行系统的理论分析。同时基于Casimir的界面散射理论，获得纳米多孔/颗粒复合结构参与界面散射的声子的平均自由程和结构尺寸之间的相关性。进一步建立光调制热发射谱实验方法，对异质结等纳米复合结构进行实验分析。探索纳米多孔/颗粒复合结构热导率调控的可能途径，从而为器件性能改善和优化设计提供参考。

随着微电子和光电器件集成度的提高，器件的特征尺寸不断缩小，其中的热流密度不断增加，为了保证器件可靠性和稳定性，需要材料具有高热导率。与此同时，为了提高热电器件的性能，又需要材料具有低热导率。因此对于材料热导率调控的研究也就显得日益重要和迫切。纳米多孔/颗粒复合结构材料在单位体积中具有较大的界面面积，界面效应能对其物理特性产生显著影响。本课题基于Boltzmann输运方程方法，我们系统获得了薄膜、纳米多孔复合结构、线型/紧密型纳米复合结构热导率的解析表达式以及近似表达式，获得了GaN/InGaN异质结构纳米线有效热导率的表达式。基于Casimir对于纳米线的界面散射理论，导出了异质结构纳米线以及纳米多孔复合结构中声子界面散射的平均自由程的表达式。基于傅里叶变换红外光谱仪，建立了调制热发射谱测量的实验方法，藉此获取材料在不同功率激光照射下的温度差并导出其热导率。针对GaN体材料、GaN薄膜和GaN/InGaN异质结构纳米线进行具体的数值计算，并和实验数据进行比较。对于GaN/InGaN异质结构纳米线，我们发现孔隙率、核层/壳层的厚度和界面镜面散射系数在体系的热导率调控中起着重要的作用。对于纳米多孔复合结构，纳米孔尺寸和间距也对体系的热导率产生显著的影响。研究结果对于了解GaN材料及其纳米复合结构热学特性的物理机制，实现热导率的调控具有一定的实际意义。