بررسی دینامیک مولکولی انتقال حرارت
ساختار یک فیلم نازک محدود بین دو ماده به طور گسترده ای در دستگاه های میکروالکترونیک وجود دارد. هنگامی که جریان گرما در سراسر چنین فیلم نازکی باشد ،مقاومت حرارتی از این فیلم همیشه با جفت شدن مقاومت حرارتی از دو خط اتصال میباشد. نسبت به مطالعات متعدد درزمینه انتقال حرارت در یک رابط از دو ماده متفاوت ،انتقال حرارت در یک فیلم نازک ورابط های مجاور کمتر مورد بررسی قرار گرفته ،به ویژه هنگامی که این فیلم دارای اختلال ساختاری ویا حجمی باشد. با استفاده از شبیه سازی دینامیک مولکولی ، ما به طور سیستماتیک مقاومت حرارتی خالص دو رابط وفیلم نازک محدود را بررسی کردیم ونتایج را باپیش بینی مدل مدار حرارتی مقایسه کردیم. هنگامی که ضخامت بی نظمی یک فیلم نازک بیشتر از ۲نانومتر است ، مقاومت خالص در سراسر فیلم تقریبا وابستگی خطی به ضخامت فیلم دارد و همیشه بزرگتر از پیش بینی مدل مدار حرارتی میباشد. برای ضخامت بسیار کوچک ( ) ،مقاومت فیلم نازک بی نظم شبیه به همتای کریستالی میباشد. وجود منطقه الیاژ بین دو ماده ناهمسان زمانی که ضخامت الیاژچند لایه اتمی است میتواند مقاومت سطحی را کاهش دهد. اما زمانی که ضخامت الیاژبزرگ است مقاومت افزایش می یابد.
به عنوان ویژگی اندازه با کوچک کردن دستگاههای میکروالکترونیک به دهها نانومتر، مقاومت حرارتی با توجه به مواد متعدد رابط یک عامل مهم در محدود کردن اتلاف حرارت موثر است. حمل ونقل در سراسر مواد رابط حرارتی موضوعی است که اخیرا مطالعات نظری وتجربی گسترده ای در مورد ان صورت گرفته است.بسیاری از این اثار برروی مطالعه مقاومت حرارتی یک رابط واحد بین دو نیمه نا محدود مواد تمرکز دارند. مقادیر مقاومت مواد در اطراف در دمای اتاق گزارش شده است، که بستگی به کیفیت رابط کاربری ، انواع مواد وعدم تطابق ارتعاشی از دو طرف دارد. با این حال ، در دستگاههای میکرو الکترونیک ، ما اغلب با رابط مجاور متعدد ، یا دقیق تر، لایه های فیلم نازک متعدد و رابط های خود روبرو میشویم.به طور کلی برای چنین سیستم هایی ، مدل مدار حرارتی (TCM) برای محاسبه مقاومت حرارتی خالص به کار میرود ، به عنوان مثال ، مقاومت خالص با مجموع مقاومت حرارتی رابط ومقاومت فیلم برابراست. TCM در حد انتشار وقتی فیلم های نازک بسیار ضخیم تر از طول موج فونون وفونون مسیر ازاد متوسط به خوبی کار میکند.با استفاده از مدل ذرات نامنسجم برای مطالعه انتقال حرارت در ابرشبکه های Si/Ge ، متوجه شدند که هدایت حرارتی موثر تابعی از چگالی سطحی است ومستقل از کسر حجمی باقی میماند. به هرحال وقتی ضخامت فیلم چند نانومتر در دستور است که قابل مقایسه با فونون مسیر ازاد متوسط ویا حتی طول موج فونون است ،پدیده های جدید مانند حمل ونقل بالستیک وحمل ونقل منسجم مشاهده شده است. دینامیک مولکول بکار رفته (MD) وپویایی شبکه (LD) با روش مطالعه Si/Ge/Si و Ge/Si/Ge با ساختار ساندویچ نشان داد که مقاومت کل فیلم نازک کریستالی کوچکتر ازپیشبینی TCM است.چنین نتیجه ای حمل ونقل بالستیک واثر اندازه محدود را توضیح میدهد. ساختار یک فیلم نازک محدود بین دوماده غیر همجنس بررسی شده است. انها با انتخاب مناسب جمعی ازاتمهای فیلم نازک نشان دادند که مقاومت بین دو ماده میتواند کاهش یابد. برای ابرشبکه های متشکل ازچند لایه های فیلم نازک کریستالی ، انرا به خوبی دریافته اند که مقاومت خالص با توجه به حضور وحمل ونقل فونون منسجم ترکیبی از مقاومت فیلم نازک ومقاومت رابط است. اکثر این اثار با تمرکز برروی لایه های نازک کریستالی با رابط تمیز کار شده اند. در این موارد ، فونون تمایل به حمل ونقل بالستیک در سراسر فیلم نازک وپراکندگی بیشتردر رابط را دارد. بنابراین TCM ساده برای انتقال حرارت در سراسر لایه های نازک کریستال با ضخامت مقیاس نانومتر کار نمیکند. با اینحال باید توجه داشت که فیلم نازک کریستالی محدود با رابط تمیز به ندرت در برنامه های مهندسی وجود دارد. فیلمهای نازک با تکنولوژی فعلی (اچینگ،رسوب وغیره) به طور کلی با اختلال ساختاری (امورف) ویا اختلال جرم (الیاژ) ساخته شده اند. به عنوان مثال ، در یک اکسید فلزی نیمه هادی هدف (MOS) ، یک لایه نازک سیلیس امورف (بیشکل)(معمولا باچند نانومتر ضخامت)محدود بین پایه سیلیکون کریستالی وهدف پلی – سیلیکون . برای برخورد با فلز معمولی- سیلیکون که معمولا یک لایه نازک از سیلیس امورف در بین انها وجود دارد است.همچنین برای یک رابط بین دو جامد میتواند نفوذ اتمی باشد که در سطح تماس به شکل یک لایه اتمی مخلوط ویا یک رابط خشن باشد. برای چنین مواردی ، ساختار سطحی در رابط سرب/ فیلم کامل نیست و انسجام فونون پس از پراکندگی در رابط برداشته میشود. علاوه براین برای مواد جامد بینظم به طور کلی پراکندگی از حالت ارتعاشی انقدر قوی است که تنها با حالت ازاد متوسط کوتاه به هدایت گرمایی کمک میکند. بنابراین انتقال حرارت در فیلم بی نظم را میتوان با TCM در حد انتشار ارزیابی کرد. براساس این فرض ، مقاومت حرارتی با استفاده ازاندازه گیری هدایت حرارتی ساختار چند لایه براورد میشود. ترمیم لایه اتمی مخلوط به عنوان یک ماده بی نظم جدید ، وسراسر حامل حرارتی مانند خط اتصال به عنوان یک فیلم نازک بی نظم محدود در دو هادی محاسبه میشود. همچنین نتایج تجربی نشان میدهد که مقاومت حرارتی بین ALوSI که بوسیله سیلیس بی نظم محدود شده است به خوبی منطبق با پیشبینی TCM است، که در ان هدایت حرارتی بخش توده ای از سیلیس به منظور ارزیابی مقاومت فیلم نازک مورد استفاده قرارگرفت. با اینحال استفاده از TCM برای فیلم نازک بینظم از لحاظ نظری توجیه نشده است. تجزیه وتحلیل دقیق نظری در انتقال حرارت در سراسر یک فیلم نازک محدود لازم است.
دراین پروژه، انتقال حرارت در سراسر فیلم نازک بی نظم ساندویچ بین دو ماده کریستالی با استفاده از روش دینامیک مولکولی بررسی شده است. انواع مختلف فیلمهای نازک بی نظم از جمله امورف والیاژ در نظر گرفته شده است.ارزیابی وابستگی مقاومت حرارتی به ضخامت ومقایسه مقاومت مربوط به فیلم نازک کریسالی وپیشبینی TCM انجام گرفت. نتایج نیز با دیگر اثار نظری وتجربی مقایسه وبحث شد. (بیشتر…)
