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厚度为微米—纳米级的电介质固体薄膜是微电子、光电子、MEMS和正在兴起的纳米技术等领域中各种微型器件的重要组件.电介质薄膜导热特性严重影响着器件和系统的运行性能和可靠性,探求薄膜的热导率和热运输规律,对于器件的热管理和热电耦合优化设计具有重要意义.目前对于厚度为100nm以下的薄膜,热导率的实验测试非常困难.在该尺度下,分子动力学(MD)模拟是有效的研究方法.该文用MD模拟方法对碳、硅、锗纳米薄膜沿垂直于膜平面方向的晶格热导率进行了深入的研究.在计算单晶碳、硅和锗纳米薄膜的法向热导率之前,首先模拟计算了氩晶体材料的导热系数,并与现有的数据作了比较,两者非常吻合,很好地验证了程序的可靠性和所选方案的可行性.通过分析和比较计算热导率的各种MD算法和方案,采用非平衡分子动力学(NEMD)方法来模拟纳米薄膜的法向导热更为合理.厚度为2~5nm的碳晶体薄膜在温度为300K到500K的范围内,NEMD计算得到的法向热导率显著小于对应的大体积晶体的实验值,并随薄膜厚度减小而减小.计算结果表明:金刚石薄膜的热导率呈明显的尺寸效应,并且在模拟范围内,法向热导率与薄膜厚度呈近似线性关系.选取能较好描述金刚石结构的硅晶体的Tersoff作用势,通过NEMD模拟研究了厚度为2.715~10.86nm的单晶硅纳米薄膜在温度为300K~500K范围内的法向热导.在温度为300K、400K和500K三种情况下,薄膜热导率的计算值均随厚度的减小而减小并显著小于体硅的实验值.模拟结果表现出明显的尺寸效应.相同厚度的单晶硅薄膜的热导率随着温度的升高反而下降,且厚度越大,下降趋势越明显,这一点与大体积硅晶体相吻合.同样,选取适合具有金刚石结构的单晶锗的Tersoff作用势,采用NEMD模拟研究了厚为2.8175~11.27nm的单晶锗纳米薄膜在温度为300K~500K时的法向热导.模拟结果表明:在纳米单晶锗薄膜中,存在明显的热导率尺寸效应,薄膜的热导率与其厚度呈近似线性关系,并且随着薄膜厚度的增加而增加.