氮化鎵納米薄膜聲子和熱學性能的表面-界面效應理論研究.pdf

1、氮化鎵(GaN)作為新型半導體材料的典型代表，由于具有優(yōu)良的物理化學性質(zhì)，在光電器件和微電子器件領域得到了廣泛的應用，因而成為近年來半導體材料研究的熱點。然而，以往針對納米結(jié)構(gòu)材料的研究大多集中在尺寸效應、量子限域效應、表面/界面散射效應以及應力場分別對納米結(jié)構(gòu)聲子特性和熱學性能的影響，卻鮮有涉及表面/界面耦合效應的問題，如量子限域與表面/界面散射耦合效應，或表面/界面散射與預應力耦合效應，或量子限域與表面電荷耦合效應共同作用對納米結(jié)構(gòu)

2、聲子特性和熱學性能的影響。本文以單層GaN納米薄膜為對象，基于彈性連續(xù)模型和玻爾茲曼輸運方程，分別定量研究了上述三種耦合效應對GaN納米薄膜聲子特性和熱學性能的影響。
　　首先，在傳統(tǒng)連續(xù)介質(zhì)力學框架下，簡述了量子限域納米材料聲子的連續(xù)彈性理論，采用有限元差分法得到了納米薄膜聲子色散關系、聲子平均群速度和聲子態(tài)密度的表達式;同時，基于玻爾茲曼輸運方程考慮表面/界面散射效應，建立了聲子熱流沿橫向流動的聲子輸運模型。然后，通過數(shù)值計算

3、定量給出了在量子限域效應與表面/界面散射效應共同作用下的聲子熱導率。研究結(jié)果表明:相對于僅考慮量子限域效應的情形，同時考慮表面/界面散射效應會使得橫向聲子熱導率出現(xiàn)量級上的減少，并且表現(xiàn)出更明顯的尺寸效應。
　　其次，考慮預應力的影響，結(jié)合玻爾茲曼輸運方程和聲彈效應理論，建立了聲子熱流沿平面方向流動的聲子輸運模型，定量研究了表面/界面散射效應對應力約束GaN納米薄膜平面聲子熱導率的影響。理論結(jié)果表明:相較于聲子熱流沿橫向流動的情形

4、，平面聲子熱導率的數(shù)值有明顯的減小。當引入初始應力場時，正應力減小了納米薄膜的聲子熱導率，而負應力增大了聲子熱導率。同時，表面/界面散射與預應力耦合效應使得聲子熱導率的尺寸效應顯著增強。
　　最后，考慮了納米薄膜表面存在電荷的情形，對慮及表面電荷的聲子特性和聲子熱導率的變化情況進行了定量研究。研究結(jié)果表明:當納米薄膜表面存在電荷時，負電荷增大了聲子熱導率而正電荷減小了聲子熱導率。此外，表面電荷的存在，將會改變聲子熱導率的溫度效應和