固体微／纳米尺度传热理论研究进展.pdfVIP

维普资讯 第24卷 第4期 物 理 学 进 展 VOI．24．No．4 2004年 l2月 PR0GRESSINPHYSICS Dec．，2004 文章编号：1000--0542(2004)04—0424—12 固体微／纳米尺度传热理论研究进展 吕 曜，宋青林，夏善红 (中国科学院电子学研究所。传感器技术国家重点实验室，北京 100080) 摘 要：随着半导体技术的飞速发展，器件的尺寸已进入到微／纳米尺度。由于量子效 应、表面及界面效应，使得微尺度下的热物性与宏观尺度下有了明显的区别。人们针对微观 传热领域的特点，发展了声子玻尔兹曼传输方程、分子动力学等方法，取得了一定的成果，但 仍存在不少问题。一些基础概念问题，特别是非平衡态下的局域温度的定义，有待澄清。本 文主要回顾近年来微／纳米尺度传热在理论和数值模拟方面的进展，以及目前所面临的挑战 和问题。 关键词：微／纳米尺度；热导率；声子玻尔兹曼传输方程；分子动力学 中图分类号：TK124 文献标识码：A 0 引言 随着半导体技术和MEMS(MicroElectroMechanicalSystems)技术的飞速发展，器件 的尺寸已进入到微／纳米尺度。集成电路以及其它微型器件集成度不断增大，特征尺度不 断减小，散热问题成为影响器件性能的关键因素之一，热传导分析对于设计和制作这些器 件结构至关重要。由于量子效应、表面及界面效应，使微尺度下与宏观尺度下的热传导存 在明显不同_1j。微尺度下实验测量对测试系统要求很高，有些参数则根本无法直接测 量。理论和数值模拟研究可以弥补实验的不足，并进一步指导新结构新实验的设计。 这一领域的理论研究目前仍处于不成熟阶段，对传热的认识主要基于傅立叶定律，Q = 一 T，式中Q为热流，为热导率， 丁为温度梯度，这构成了声子玻尔兹曼传输方 程以及原子级模拟热导率的基础。而很多材料中的主要热载流子声子在体材料中室温下 平均自由程通常在 1～100nin，与研究对象的尺度相当，而目前还没有一种解析表达可以 较好描述纳米结构尺度下声子波的特征_2j。 基于傅立叶定律，研究模拟微／纳米尺度传热目前比较流行的方法有两种。一种是分 收稿日期：2004-09—25 基金项目：国家973项 目资助(G1999033102) 作者Ernail：gopherO@sina．com 维普资讯 4期 吕 曜等：固体微 ／纳米尺度传热理论研究进展 425 子动力学方法，它已经成为计算热导率和声子散射的有力工具，可以提供热传导的比较直 观的物理图像。另一种是对声子玻尔兹曼传输方程(BTE)方法进行数值求解，玻尔兹曼 传输方程也是大多数宏观固体传热理论的基础。在BTE方法的理论框架下，无论是电 子、声子传热，各种散射机制，都已有比较完善的表达方法，并已成功应用于解释均质体材 料中的电导对热导的影响、热电系数、热导率、同位素散射、以及量子效应等 J。BTE方 法在计算单晶硅薄膜以及温度在 l0K以下的一些材料的热传导过程中取得了一定的成 功，而计算一些相对复杂结构时遇到了不少困难。总而言之，在计算纳米尺度结构热传导 时，两种方法都还有缺陷，需要进一步改进发展。 纳米尺度传热理论当前研究的热点主要集中在：不同材料间界面热阻热导率的计算， 硅薄膜及相关结构的传热计算，模拟一维纳米结构的声子输运性质，计算各种纳米尺度聚 合物、无定形材料、多孔材料以及超晶格结构的热导率等方面。界面性质在纳米尺度结构 的热传导中占有重要地位，热导率的随结构尺寸变化很大一部分原因是界面传热所占比 重增加，而实验中所得到的界面热导率普遍小于已有理论的预测值 J。各种薄膜材料和 结构的传热计算和数值模拟目前主要依赖BTE方法。但由于人们对BTE方法中所需的 各种材料结构的声子散射率知之甚少，结果并不理想。科学家们在模拟室温下单晶硅的 热传导，低温条件下多晶硅的热传导方面取得