Дипломная работа на тему "ТЮМГУ | Модель теплопроводности нанопленок кремния, учитывающая угол падения фононов на неидеальные поверхности наноструктур"

Работа на тему: Модель теплопроводности нанопленок кремния, учитывающая угол падения фононов на неидеальные поверхности наноструктур
Оценка: хорошо.
Оригинальность работы на момент публикации 50+% на антиплагиат.ру.
Ниже прилагаю все данные для покупки.
https://studentu24.ru/list/suppliers/Anastasiya1---1326

Описание работы

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
Кафедра прикладной и технической физики

РЕКОМЕНДОВАНО К ЗАЩИТЕ В ГЭК

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА
бакалаврская работа
МОДЕЛЬ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ НАНОПЛЕНОК КРЕМНИЯ, УЧИТЫВАЮЩАЯ УГОЛ ПАДЕНИЯ ФОНОНОВ НА НЕИДЕАЛЬНЫЕ ПОВЕРХНОСТИ НАНОСТРУКТУР

03.03.02 Физика
Профиль «Фундаментальная физика»

Тюмень 2023 год

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 3
ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ МИКРО- И НАНОСТРУКТУР 5
1.1. УНИКАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА НАНОСТРУКТУР 5
1.2. ФОНОНЫ 9
1.3. ОЦЕНКА ДЛИНЫ СВОБОДНОГО ПРОБЕГА ФОНОНОВ 10
1.4. ДЛИНА ВОЛНЫ ФОНОНА 12
1.5. ПАРАМЕТР ЗЕРКАЛЬНОГО ОТРАЖЕНИЯ 13
1.6. ВЛИЯНИЕ УГЛА ПАДЕНИЯ 14
1.7. УСРЕДНЕНИЕ ПАРАМЕТРА ЗЕРКАЛЬНОГО ОТРАЖЕНИЯ 15
1.8. ЗАВИСИМОСТЬ ПАРАМЕТРА ЗЕРКАЛЬНОГО ОТРАЖЕНИЯ ОТ ТОЛЩИНЫ ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ПЛЕНКИ 17
1.9. ХАРАКТЕРНЫЙ УГОЛ РАССЕЯНИЯ 17
ГЛАВА 2. АНАЛИЗ ФАКТОРОВ, КОТОРЫЕ ВЛИЯЮТ НА ЭФФЕКТИВНУЮ ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ 21
2.1 РАСЧЕТ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ФОНОНОВ С НЕИДЕЛЬНОЙ ГРАНИЦЕЙ ОБРАЗЦА 21
2.2 РАСЧЕТ УГЛОВ ОТРАЖЕНИЯ 24
2.3 СРЕДНИЙ УГОЛ ОТРАЖЕНИЯ 27
2.4. СРЕДНИЙ КОСИНУС УГЛА ОТРАЖЕНИЯ 29
2.5. УГЛЫ ЗАТЕНЕНИЯ 32
2.6. ДЛИНА ПРОБЕГА БАЛЛИСТИЧЕСКИХ ФОНОНОВ 37
ГЛАВА 3. МОДЕЛЬ РАСЧЕТА ЭФФЕКТИВНОЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ НАНОПЛЕНОК. 41
3.1. РЕЗУЛЬТАТЫ ДЛЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ПЛЕНОК КРЕМНИЯ 41
3.2. ВЫРАЖЕНИЕ, ПОЗВОЛЯЮЩЕЕ РАССЧИТАТЬ ЭФФЕКТИВНУЮ ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ НА ОСНОВЕ ЗАДАННЫХ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛА 45
3.3. ОЦЕНКА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТОНКИХ ПЛЕНОК 47
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 49
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 50

ВВЕДЕНИЕ
Теплопроводность – одно из важнейших свойств материалов, определяющее их способность передавать тепло. В настоящее время эффективная теплопроводность является критически важным параметром для многих технологических процессов и приложений, таких как теплоотводящие материалы для электроники, солнечные батареи, термоэлектрические устройства и теплообменные системы.
Однако с уменьшением размеров объектов до наномасштабов, физические свойства материалов начинают проявляться по-другому, включая их теплопроводность. Наноструктуры имеют существенно отличающиеся от более крупных объектов свойства, и изучение их теплофизических свойств является актуальной и важной задачей с точки зрения разработки новых материалов и устройств.
В основе теплопередачи в твердых телах лежит перенос энергии фононами
– квантами колебаний решетки. Теплопроводность твердых тел связана с их структурой, температурой, частотным спектром фононов и другими факторами. В наноструктурах, таких как тонкие пленки и наночастицы, теплоотвод становится более сложным и важным, так как поверхности и границы раздела материалов могут существенно влиять на эффективность теплоотвода. Эффективная теплопроводность материала зависит от различных факторов, включая структуру материала, размер и форму наночастиц, состав материала, температуру, давление и другие параметры. Одним из основных факторов, влияющих на эффективную теплопроводность, является взаимодействие фононов (колебаний решетки кристалла) с другими фононами и границами объекта. Другим важным фактором является шероховатость поверхности наноструктуры, которая препятствует движению фононов и снижает теплопроводность.
Также, размер и форма наночастиц играют важную роль в определении эффективной теплопроводности.

Маленькие наночастицы имеют большую поверхностную энергию, что приводит к большему количеству фононов на поверхности и уменьшению эффективной теплопроводности. Форма наночастиц также может влиять на эффективность теплопроводности. Например, наночастицы с более сферической формой могут обладать более высокой теплопроводностью, чем наночастицы с более вытянутой формой.
Данная дипломная работа будет посвящена изучению влияния различных факторов на эффективную теплопроводность наноструктур, особенностей переноса тепла фононами, а также разработке методов моделирования теплопередачи в нанопленках. В работе будут рассмотрены различные теории и экспериментальные данные, связанные с теплопередачей в наноструктурах.
Цель работы: модификация модели расчета теплопроводности тонких пленок, которая учитывает угол падения фононов и зеркальное отражение на шероховатых поверхностях наноструктур.
Для достижения цели необходимо выполнить следующие задачи:
1. Провести анализ взаимодействия фононов с шероховатой поверхностью наноструктуры.
2. Установить, какое влияние на теплоперенос оказывают зеркальное отражение, затенение, форм-фактор.
3. Модифицировать модель расчета эффективной теплопроводности пленок с учетом влияния угла падения фононов и зеркального отражения на теплопроводность шероховатой наноструктуры.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Количественная оценка влияния шероховатости поверхности на перенос фононов в кремниевых нанопроволоках/ J. Лим [и др.] // Nano Lett. 2012. Т. 12, № 5. С. 2475-2482.
2. Баринов А.А., Цао Ж., Хвесюк В.И. Баллистический перенос тепла в наноструктурах // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2016. № 5. C. 140-151.
3. Развитие методов расчета теплопроводности тонких пленок. / А.А. Баринов [и др.] // Наука и Образование: Научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2017. №. 6. С. 56-71.
4. Обновленная модель расчета теплопроводности тонких пленок германия/ А.А. Баринов [и др.] // Физика атомных ядер. 2020. Т. 83. № 10. С. 1538-1548.
5. Лю Б., Хвесюк В.И., Баринов А.А. Моделирование Капицы проводимость через шероховатые поверхности раздела твердых тел // Физика твердого тела. 2021. Т. 63, № 7. С. 982-987.
6. Влияние межфазной шероховатости на тепловую проводимость границы: модель упругой волны с использованием приближения Кирхгофа/ Б. Лю [и др.] // Международный журнал Механические науки. 2022. Т. 218, № 106993.
7. Оценка вкладов различных механизмов взаимодействий фононов в диффузионно-баллистических режимах / А.А. Баринов, К. Чжан, Б. Лю // Издательский дом МЭИ, 2018. С.209-212.
8. Zhu Y.F., Lian J.S., Jiang Q. Re-examination of Casimir limit for phonon traveling in semiconductor nanostructures // Appl. Phys. Lett. 2008. V. 92, № 11. P. 113101.
9. Gurzhi R.N. Thermal Conductivity of Dielectrics and Ferrodielectrics at Low Temperatures// JETP. V. 33, № 8. P. 2413-2417.
10. Guyer R.A., Krumhansl J.A. Solution of the Linearized Phonon Boltzmann Equation // Phys. Rev. 1966. V. 148, № 2. P. 766-778.
11. Guyer R.A., Krumhansl J.A. Thermal Conductivity, Second Sound, and Phonon Hydrodynamic Phenomena in Nonmetallic Crystals // Phys. Rev. 1966. V. 148. Fourier heat transfer // Appl. Phys. Lett. 2012. V. 101, № 21. P. 211905. Low Temperatures // JETP. V. 19, № 2. P. 490.
12. Zou J., Balandin A. Phonon heat conduction in a semiconductor nanowire
// J. Appl. Phys. 2001. V. 89, № 5. P. 2932-2938.
13. Lattice thermal conductivity of wires / S.G. Walkauskas [et al.] // J. Appl. Phys. 1999, V. 85, № 5. P. 2579-2582.
14. Lu X., Shen W.Z., Chu J.H. Size effect on the thermal conductivity of nanowires // J. Appl. Phys. 2002. V. 91, № 3. P. 1542-1552.
15. Maldovan M. Micro to nano scale thermal energy conduction in semiconductor thin films // J. Appl. Phys. 2011. V. 110, № 3. P. 034308.
16. Aksamija Z., Knezevic I. Anisotropy and boundary scattering in the lattice thermal conductivity of silicon nanomembranes // Phys. Rev. B. 2010. V. 82, No 4. P. 045319.
17. Лифшиц Е.М., Питаевский Л.П. Теоретическая физика. Т. 10. Физическая кинетика. М.: Наука, 1979. 528 с.
18. Wang J.-S., Wang J., Zeng N. Nonequilibrium Green's function approach to mesoscopic thermal transport // Phys. Rev. B. 2006. V. 74, № 3. P. 033408.
19. Nonequilibrium Green's function method for thermal transport in junctions /J.-S. Wang [et al.] // Phys. Rev. E. 2007. V. 75, № 6. P. 061128.
20. Length-Scale Dependent Phonon Interactions / ed. Shinde S.L., Srivastava
G.P. New York, NY: Springer New York, 2014. V.128. P.158.
21. Phonon backscattering and thermal conductivity suppression in sawtooth nanowires/A.L. Moore [et al.] // Appl. Phys. Lett. 2008. V. 93, № 8. P. 083112.
22. Monte Carlo simulation of phonon confinement in silicon nanostructures: Application to the determination of the thermal conductivity of silicon nanowires / D. Lacroix [et al.] // Appl. Phys. Lett. 2006. V. 89, № 10. P. 103104.