“清華大學**博士學位論文叢書”（以下簡稱“優博叢書”）精選自2014年以來入選的清華大學校級**博士學位論文（Top 5%）。每篇論文經作者進一步修改、充實並增加導師序言後，以專著形式呈現在讀者面前。“優博叢書”選題範圍涉及自然科學和人文社會科學各主要領域，覆蓋清華大學開設的全部一級學科，代表了清華大學各學科***的博士學位論文的水平，反映了相關領域*新的科研進展，具有較強的前沿性、繫統性和可讀性，是廣大博碩士研究生開題及撰寫學位論文的**參考，也是科研人員快速和繫統了解某一細分領域發展概況、*新進展以及創新思路的有效途徑。

\"隨著半導體器件和材料科學的發展，越來越多的納米結構和納米材料開始出現。界面特性深刻影響著納米結構的導熱及熱設計，本書以半導體納米界面導熱特性為主題，針對納米電子器件和納米材料的研究前沿問題，對國內外發展動向和研究現狀進行了調研和整理，研究融合了當前研究納米結構界面導熱特性的主要手段，力求在數值模擬及實驗測量的基礎上深入揭示影響納米結構界面導熱特性的主要因素及物理作用機制。 本書可供相關專業高年級本科生、研究生以及相關領域科研與教學工作者閱讀參考。\"

目錄
第1章緒論
1.1研究背景
1.2界面導熱特性理論模型
1.3界面導熱特性模擬計算
1.4界面導熱特性實驗測量
1.5界面導熱特性對納米材料熱物性的影響
1.5.1納米多晶材料熱導率
1.5.2納米結構界面熱整流效應
1.6本文研究內容

第2章復合薄膜界面熱阻特性的模擬及實驗測量
2.1雙層薄膜界面熱阻特性
2.1.1雙層薄膜建模及模擬細節
2.1.2界面熱阻隨界面溫度的變化
2.1.3界面熱阻隨界面兩側薄膜厚度的變化
2.1.4界面熱阻隨界面兩側材料原子質量比的變化
2.1.5界面熱阻隨熱流方向的變化
2.1.6聲子波包模擬
2.1.7雙層薄膜界面聲子透射特性
2.2晶界熱阻的分子動力學模擬
2.2.1晶界建模及模擬細節
2.2.2MüllerPlathe方法計算熱導率原理
2.2.3晶界熱阻隨溫度的變化
2.2.4晶界熱阻隨晶界角的變化
2.2.5扭轉晶界聲子透射特性
2.3界面熱阻的飛秒激光熱反射測量
2.3.1雙波長飛秒激光熱反射測量繫統
2.3.2傳熱理論模型
2.3.3實驗樣品制備
2.3.4測量結果分析
2.4小結

第3章基於聲子波包模擬的界面輸運特性研究
3.1一維原子鏈中的聲子透射特性
3.1.1含雜質的原子鏈的聲子輸運特性
3.1.2質量漸變原子鏈中的聲子輸運特性
3.2復合材料中的聲子輸運干涉效應
3.2.1建模及模擬細節
3.2.2立方形顆粒的干涉效應
3.2.3球形顆粒的干涉效應
3.2.4多次透射/反射預測模型
3.3聲子波包分裂現像分析
3.3.1波包信號分析
3.3.2固體氬中的波包分裂
3.3.3硅晶體中的波包分裂
3.4小結

第4章納米多晶材料熱導率
4.1三維Voronoi圖建模
4.2納米多晶體材料熱導率模擬
4.2.1GreenKubo法計算熱導率原理
4.2.2納米多晶結構熱導率模擬準則
4.2.3多晶氬熱導率的溫度依賴特性
4.2.4多晶氬熱導率隨晶粒尺寸變化
4.2.5多晶氬中晶界熱阻預測
4.2.6硅納米多晶材料熱導率特性
4.3納米多晶薄膜熱導率模擬
4.3.1多晶薄膜模擬細節
4.3.2多晶薄膜熱導率的溫度依賴性
4.3.3多晶薄膜熱導率的厚度依賴性
4.3.4多晶薄膜熱導率隨晶粒尺寸的變化
4.4小結

第5章非對稱納米結構熱整流特性研究
5.1非對稱硅納米條帶熱整流特性
5.1.1條帶熱導率表征
5.1.2熱整流特性分析
5.1.3聲子透射特性分析
5.2含錐形空腔硅納米薄膜的熱整流特性
5.2.1空腔熱阻計算
5.2.2熱整流特性分析
5.2.3聲子透射特性分析
5.3含三角形孔硅納米薄膜熱整流特性
5.3.1三角形孔熱阻計算
5.3.2熱整流特性分析
5.3.3聲子透射特性分析
5.4小結

第6章結論
參考文獻

第1章 緒論 半導體納米結構界面導熱特性的分子動力學模擬第1章緒論〖1〗1.1研 究 背 景隨著納米技術的發展，半導體器件的小型化和集成化程度越來越高，單位面積的納米器件功耗越來越大，研究納米尺度的熱量傳遞規律顯得尤為重要和必要。納米材料已廣泛使用於納米器件中，如超晶格薄膜、多晶材料、納米復合薄膜復合薄膜、納米線、碳納米管陣列等。界面廣泛存在於納米材料中，使得界面導熱特性導熱特性成為納米器件熱設計過程中一個不可忽略的影響因素\\[15\\]，目前影響和決定界面導熱特性界面導熱特性的因素和機制還不是十分明了。
界面導熱特性一般涉及到界面熱阻界面熱阻的大小、界面熱阻的影響因素及作用機制、界面存在對材料熱物性（如納米多晶材料納米多晶材料熱導率、界面熱整流熱整流現像）的影響機制等。界面熱阻的量級一般很小（約為10-9~10-8 m2K/W），在常規尺度中基本可以忽略不計\\[2, 3\\]；但在納米器件中，由於繫統尺寸往往達到納米量級，器件本身的導熱熱阻也處於10-9~10-8 m2K/W量級\\[2,3\\]，此時界面熱阻與繫統固有的導熱熱阻相當，不可再忽略不計。以碳納米管為例，盡管單根碳納米管的熱導率熱導率可以高達幾千W/mK，但目前利用碳納米管陣列增加復合材料熱導率的嘗試效果均不是十分明顯，主要原因之一就是納米管陣列與基底材料以及納米管之間界面熱阻的存在，在很大程度上限制了碳納米管、石墨烯等高熱導率材料的應用\\[4,5\\]。由此可見，對於納米材料，界面熱阻在總熱阻中占很大部分，有時甚至起**作用。綜上所述，界面導熱特性研究已成為半導體納米器件設計過程中不可或缺的組成部分。
1.2界面導熱特性理論模型 目前已有兩個常用理論模型用來預測界面熱阻：聲學不匹配模型（AMM）聲學不匹配模型（AMM）和擴散不匹配模型（DMM）擴散不匹配模型（DMM）\\[6, 7\\]。Khalatnikov\\[6\\]在1952年提出基於聲子反射和透射的AMM模型，用來預測銅和液氦間的界面熱阻。聲學不匹配模型將聲子的輸運簡化為連續波的傳播，而界面作為一個光滑平面來處理，如圖1.1所示，聲子在界面處隻發生鏡面反射或折射，此時界面透射繫數界面透射繫數可由界面兩側材料各自阻抗獲得：ΓAMM=4ZAZB〖〗(ZA+ZB)2（11）其中ZA和ZB分別為界面兩側材料A、B的聲學阻抗聲學阻抗，聲學阻抗Z=ρv，其中ρ為材料的密度，v為材料的聲速。聲學不匹配模型在溫度溫度高時預測誤差較大。
圖1.1聲學不匹配模型（AMM）示意圖\\[6\\] 1989年Swartz和Pohl\\[7\\]基於聲子態密度理論提出了擴散不匹配模型，用來解釋高頻聲子的界面特性。擴散不匹配模型的基本假設是所有聲子在界面處發生漫射散射。如圖1.2所示，入射到界面處的聲子將失去原有記憶，隨即散射至材料兩側，聲子的透過率僅取決於界面兩側的聲子態密度分布。由於界面兩側聲子頻率不同，所以聲子必須經過非彈性踫撞改變其頻率纔能穿過界面，擴散不匹配模型對於長波聲子也不適用。
圖1.2擴散不匹配模型（DMM）示意圖\\[7\\] 聲學不匹配模型和擴散不匹配模型兩個理論模型在低溫時都能很好地預測界面熱阻，但在高溫時預測結果和實驗吻合不是很好；此外，關於雙層薄膜界面熱阻的分子模擬結果還表明聲學不匹配模型和擴散不匹配模型不能預測原子質量比原子質量比為1時的零界面熱阻\\[8\\]。由此可見，兩個基本模型還存在本質上的缺陷和不足，因此需要進一步發展和完善界面熱阻模型。