Моделювання ефективної теплопровідності наноматеріалів методами молекулярної динаміки
Вантажиться...
Дата
2025
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Актуальність теми зумовлена зростаючими тепловими навантаженнями в сучасних мікро- та наноелектронних пристроях, де висока щільність інтеграції компонентів і потужність тепловиділення понад 1 кВт/см2 створюють серйозні виклики для ефективного охолодження. Особливо гостро проблема постає у 2.5D та 3D гетерогенних структурах, де локальний перегрів та підвищений термічний опір призводять до деградації матеріалів і зниження надійності. Зменшення розмірів транзисторів до нанометрових масштабів, згідно із законом Мура, спричиняє перехід від дифузійного до балістичного режиму теплопереносу, що вимагає застосування нових підходів на основі молекулярної динаміки для точного опису квантових та міжатомних ефектів. Окрім задач тепловідведення, дедалі важливішим стає питання утилізації тепла, зокрема через термоелектричні ефекти. Проте для підвищення ефективності таких систем необхідно зменшити теплопровідність без значної втрати електропровідності, що можна реалізувати шляхом наноструктурування, зокрема впровадженням періодичних нанопор у таких матеріалах, як кремній та дисульфід молібдену. Моделювання на атомному рівні дозволяє оптимізувати ці структури й забезпечити нові можливості для розробки високоефективних теплових і термоелектричних рішень у нанопристроях. Зв’язок дослідження з науковими програмами, планами, темами. Дослідження виконано в рамках науково-дослідної роботи “Дослідження явищ переносу в наноматеріалах із застосуванням класичних обчислювальних методів та алгоритмів штучного інтелекту”, присвяченій отриманню надійних моделей для опису явищ теплопереносу. Авторка брала участь у всіх етапах дослідження: від збору даних і моделювання до обробки результатів і підготовки наукових публікацій. Мета і задачі дослідження. Метою роботи є визначення впливу товщини та температури на теплопровідність в напрямку товщини кремнієвих та германієвих наноплівок; впливу температури та геометричних розмірів моношарового листа дисульфіду молібдена на його площинну теплопровідність, а також визначення впливу пористості на площинну теплопровідність метаматеріалів на основі моношарового дисульфіду молібдена та кремнія з періодично розташованими порами та наноплівки кремнія з періодично розташованими порами. Для досягнення мети було визначено такі завдання:
1. Порівняти ефективність двох підходів молекулярної динаміки — рівноважної та нерівноважної і обрати оптимальний для моделювання обраних матеріалів.
2. Оцінити вплив геометричних на ефективну теплопровідності кремнієвих та германієвих наноплівок у напрямку товщини та дисульфіду молібдена в напрямку площини.
3. Оцінити теплопровідність об’ємного кремнію та об’ємного германію, порівняти їх з табличними значеннями для валідації методу.
4. Визначити температурну залежність теплопровідності в напрямку товщини кремнієвої та германієвої наноплівки у діапазоні температур 300–400 К і площинної теплопровідності MoS2 в діапазоні 250–450 К.
5. Встановити залежність теплопровідності нанопористих метаматеріалів від параметрів пор.
Об’єкт дослідження. Теплофізичні властивості наноматеріалів. Предмет дослідження. Розрахунок методами модекулярної динаміки ефективної теплопровідності наноматеріалів на основі Si, Ge та MoS2. Методи дослідження. Для моделювання теплопровідності нанорозмірних плівок було обрано відкритий пакет програмного забезпечення LAMMPS. Наукова новизна одержаних результатів. Проведено комплексне дослідження теплопровідності наноплівок Si, Ge та MoS2 методами молекулярної динаміки. Показано вплив розмірів і пористості на фононний теплоперенос. Практичне значення одержаних результатів. Апроксимовані результати можуть бути використані в інженерних розрахунках — зокрема, як вхідні дані для багатомасштабного моделювання типу FEM. Це відкриває можливості для точнішого проєктування систем охолодження на нано- та мікрорівнях.
Опис
Ключові слова
теплопровідність, наноматеріали, кремній, германій, дисульфід молібдена, LAMMPS, молекулярна динаміка, thermal conductivity, nanomaterials, silicon, germanium, molybdenum disulfide, molecular dynamics
Бібліографічний опис
Суханевич, О. С. Моделювання ефективної теплопровідності наноматеріалів методами молекулярної динаміки : магістерська дис. : 105 Прикладна фізика та наноматеріали / Суханевич Олександра Сергіївна. - Київ, 2025. - 74 с.