纤锌矿结构氧化锌纳米薄膜热导率的研究

• 作 者: 王斌
• 出 处: 辽宁师范大学
• 发表日期: 2004年期
• 关键词: 热导率 纤锌矿氧化锌 纳米薄膜 非平衡分子动力学方法

氧化锌薄膜作为一种性能优异的宽禁带半导体材料,在光电、压电、气敏、热电、铁磁等诸多领域都受到广泛关注。随着半导体器件和微机电系统的特征尺寸逐渐减小,其热物性的微尺度效应也越来越显著。氧化锌薄膜作为器件和微机电系统的核心材料,其热导率能直接影响器件和系统的主要性能,是关乎器件和系统热设计及热管理的重要物理参数。因此开展对氧化锌纳米薄膜材料热导率的研究工作是十分必要且具有现实意义的。分子动力学方法是研究纳米薄膜热导率的有效途径。本文通过非平衡态分子动力学方法,采用微正则系综以及Buckingham势函数,研究了纤锌矿结构氧化锌纳米薄膜的热导率。研究结果表明:(1)室温下厚度约为30～46nm的氧化锌薄膜材料的热导率要比其体材料的热导率低两个数量级。随着膜厚的增加,热导率呈现接近线性的增加趋势,表现出显著的尺寸效应,与文献中实验测试结果的变化趋势相吻合。(2)对于膜厚约为37nm的氧化锌薄膜,计算了其在温度范围为100～500K内的热导率,发现薄膜热导率随温度地升高而减小,呈现出明显的温度依赖性。并把模拟结果与现有文献中的测试结果及块体氧化锌的热导率做了比较。(3)对存在氧原子空位缺陷的纤锌矿氧化锌纳米薄膜的热导率也进行了研究,发现氧原子空位的存在会进一步降低薄膜的热导率。对于含有氧原子空位、膜厚约为37nm的氧化锌薄膜,当氧空位的浓度由0.01085%增加到0.05425%时,其在室温下热导率由0.99527W·m-1·K-1降低到0.86477W·m-1·K-1。另外,也观察了温度对厚度约为30nm、氧原子空位浓度为0.0217%的薄膜的热导率的影响。应用声子气动理论和Boltzmann输运方程理论对薄膜热导率的尺寸效应作出理论分析。本文研究所得到的氧化锌纳米薄膜的热物性数据,可为器件或系统的热设计提供一定参考,对氧化锌薄膜材料的制备及应用亦有积极的促进作用。