Особливості фононного транспорту в напружених нанонитках на основі Si та Ge

Семчук С. С. Особливості фононного транспорту в напружених нанонитках на основі Si та Ge : дис. д-ра філософії : 104 Фізика та астрономія / наук. кер. В. В. Курилюк. Київ, 2024. 136 с.

У дисертації досліджено теплотранспорт у нанодротах на основі кремнію та германію різної морфології та особливості впливу деформації на теплопровідність нанодротів SiGe.
Дисертація складається зі вступу, чотирьох оригінальних розділів, загальних висновків, списку використаної літератури та додатку.
У вступі обґрунтовується актуальність обраної теми дослідження та формулюється мета дисертації, яка полягає у встановленні механізмів теплотранспорту в напружених напівпровідникових нанодротах на основі кремнію та германію різної морфології. Об’єктом дослідження є процеси фононного транспорту в одновимірних наноструктурах кремнію та германію зі структурними неоднорідностями та/або полями механічних напружень. Предметом дослідження є кремнієві та германієві нанодроти різного компонентного складу та морфології.
У першому розділі подано огляд поточного стану досліджень процесів теплоперенесення в твердотільних структурах різної морфології та розмірів. Розглянуто практичне значення вивчення теплових властивостей наноструктур, зокрема для підвищення ефективності перетворення енергії в термоелектричних модулях або терморегулювання в сучасній електроніці та оптоелектроніці. Проаналізовано механізми теплоперенесення в діелектриках і провідниках за різних температур. Наведено основні результати досліджень теплових властивостей напівпровідникових нанодротів на основі їх геометричних параметрів (довжина, діаметр, кристалографічна орієнтація), хімічного складу та морфології (суцільні нанодроти, порожнисті нанодроти, структури ядро-оболонка тощо). Подано огляд сучасного стану досліджень впливу деформації на властивості наноструктур різної розмірності, зокрема на їх теплофізичні характеристики.
Другий розділ описує методологію дослідження. Зокрема, представлено типи досліджуваних нанодротів та особливості створення змодельованих структур. Викладено основи методів нерівноважної та рівноважної молекулярної динаміки для розрахунку коефіцієнта теплопровідності нанодротів, а також методи розрахунку інших теплофізичних параметрів, включаючи щільність коливальних станів у досліджуваних нанодротах, час життя фононів та коефіцієнт участі. У цьому розділі також описані емпіричні потенціали міжатомної взаємодії, які використовувалися в дослідженнях, разом із числовими значеннями потенціальних коефіцієнтів для кремнію та германію.
У третьому розділі наведено результати досліджень теплових властивостей кремнієвих та германієвих нанодротів, що містять структурні неоднорідності. Зокрема, досліджено вплив оболонки з аморфного SiO2 на коефіцієнт теплопровідності кремнієвих нанодротів. Показано, що для нанодротів із фіксованим радіусом серцевини кристалічного кремнію коефіцієнт теплопровідності монотонно зменшується зі збільшенням товщини шару оксиду SiO2. Для нанодротів зі сталою товщиною аморфного шару SiO2 коефіцієнт теплопровідності нелінійно зростає зі збільшенням радіуса кристалічного ядра. Ці результати пояснюються на основі моделі двоканального теплообміну.
У цій роботі вперше змодельовано вплив процесів кластеризації германію на термічні властивості кремнієво-германієвих твердих розчинних нанодротів. Показано, що формування нанокластерів впливає як на величину коефіцієнта теплопровідності нанодротів, так і на загальну форму його температурної залежності. Встановлено, що зі збільшенням розміру нанокластерів германію коефіцієнт теплопровідності нанодротів SiGe зростає у всьому досліджуваному діапазоні температур. Доведено, що в нанодротах з кластерами германію температурна залежність коефіцієнта теплопровідності визначається двома конкуруючими механізмами розсіювання фононів: розсіянням за рахунок різниці атомних мас кремнію та германію в твердому розчині та розсіюванням на поверхні. утворених нанокластерів.
На основі аналізу щільності коливальних станів і відношення участі фононів показано, що утворення кластерів германію в нанодротах SiGe призводить до делокалізації фононної моди. В результаті відбувається підвищення коефіцієнта теплопровідності.
Вперше було проведено моделювання молекулярної динаміки для вивчення процесів теплового транспорту в порожнистих кремнієвих нанодротах. Показано, що збільшення розміру циліндричної порожнини призводить до зменшення коефіцієнта теплопровідності нанодроту, що супроводжується трансформацією його температурної залежності. У дослідженні було продемонстровано, що поява порожнин у кремнієвих нанодротах супроводжується їх структурною трансформацією, що призводить до утворення аморфізованих ділянок поверхні. Об'ємна частка цих областей зростає зі збільшенням радіуса порожнини. Це явище призводить до виникнення локалізованих коливальних мод у порожнистих нанодротах, що відповідає зміні їх коефіцієнта теплопровідності.
У четвертому розділі описано результати дослідження впливу деформації на механічний відгук і теплові властивості нанодротів SiGe. Зокрема, було змодельовано процес одновісної деформації нанодротів SiGe із змінним розміром порожнини, вмістом компонентів і температурою. Показано, що збільшення розмірів порожнин у нанодротах призводить до переходу від крихкого до пластичного руйнування, що супроводжується зменшенням модуля Юнга матеріалу. Встановлено, що основним фактором, що обумовлює таку еволюцію механічних властивостей нанодротів, є структурні дефекти в областях поверхні, спричинені наявністю порожнин.
Встановлено, що зміна співвідношення компонентів у нанодротах SiGe не впливає на механізм їх крихкого руйнування, а лише змінює модуль Юнга структури та напругу руйнування. Між тим, було продемонстровано, що підвищення температури майже не впливає на модуль Юнга, але призводить до зменшення напруги руйнування нанодротів і появи зон пластичної деформації при високих температурах.
Показано, що одноосьова деформація розтягу спричиняє зниження коефіцієнта теплопровідності кремнієвих і кремнієво-германієвих нанодротів у широкому діапазоні температур, тоді як деформація стиснення має зворотний ефект. Було виявлено, що відносна зміна коефіцієнта теплопровідності, викликана одноосьовою деформацією, вища для кремнієвих нанодротів порівняно з кремнієво-германієвими нанодротами. Доведено, що основними причинами деформаційної зміни коефіцієнта теплопровідності кремнієво-германієвих нанодротів є зміна поздовжньої швидкості акустичного фонону, часу життя фононів і жорсткості міжатомних зв’язків у матеріалі.
Проаналізовано вплив полів внутрішніх деформацій на теплопровідність нанодротів «ядро-оболонка». Показано, що врахування внутрішніх напружень, викликаних неузгодженістю ґрат між ядром і оболонкою, призводить до збільшення коефіцієнта теплопровідності структури, незалежно від її типу: «Si-ядро - Ge-оболонка» чи « Ge-ядро - Si-оболонка».