Моделювання ефективної теплопровідності наноматеріалів методами молекулярної динаміки

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorКондаков, Володимир Олександрович
dc.contributor.authorСуханевич, Олександра Сергіївна
dc.date.accessioned2026-02-23T14:06:50Z
dc.date.available2026-02-23T14:06:50Z
dc.date.issued2025
dc.description.abstractАктуальність 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.
dc.description.abstractotherRelevance of the topic is driven by the increasing thermal loads in modern microand nanoelectronic devices, where the high integration density and power dissipation exceeding 1 kW/cm2 pose serious challenges for effective cooling. This problem is particularly critical in 2.5D and 3D heterogeneous structures, where local overheating and elevated thermal resistance lead to material degradation and reduced reliability. The continued downscaling of transistor sizes to the nanometer range, in accordance with Moore’s law, results in a transition from diffusive to ballistic heat transport. This necessitates new approaches based on molecular dynamics to accurately describe quantum and interatomic effects. In addition to heat dissipation, heat utilization — especially via thermoelectric effects — is gaining importance. However, to increase the efficiency of such systems, it is essential to reduce thermal conductivity without significantly compromising electrical conductivity. This can be achieved through nanostructuring, particularly by introducing periodic nanopores in materials such as silicon and molybdenum disulfide (MoS₂). Atomistic-level modeling enables the optimization of such structures and opens new opportunities for developing highefficiency thermal and thermoelectric solutions in nanoscale devices. Connection of the research with scientific programs, plans, and projects. The research was carried out within the framework of the scientific project “Investigation of Transport Phenomena in Nanomaterials Using Classical Computational Methods and Artificial Intelligence Approaches”, aimed at obtaining reliable models for heat transfer analysis. The author was involved in all stages of the study: from data collection and simulation to processing results and preparing scientific publications. Aim and objectives of the research. The aim of the research is to determine the effect of thickness and temperature on the thermal conductivity in the direction of thickness of silicon and germanium nanofilms; the effect of temperature and geometric dimensions of a monolayer sheet of molybdenum disulfide on its in-plane thermal conductivity; and to determine the effect of porosity on the in-plane thermal conductivity of metamaterials based on monolayer molybdenum disulfide and Si with periodically arranged pores and silicon nanofilms with periodically arranged pores. To achieve this aim, the following objectives were set: 1. Compare the effectiveness of two molecular dynamics approaches - equilibrium and nonequilibrium - and choose the optimal one for modeling the selected materials. 2. To evaluate the influence of geometric on the effective thermal conductivity of silicon and germanium nanofilms in the thickness direction and molybdenum disulfide in the plane direction. 3. Estimate the thermal conductivity of bulk silicon and bulk germanium, compare them with the tabulated values for method validation. 4. Determine the temperature dependence of the thermal conductivity in the direction of the thickness of silicon and germanium nanofilms in the temperature range of 300-400 K and the in-plane thermal conductivity of MoS2 in the range of 250-450 K. 5. Determine the dependence of the thermal conductivity of nanoporous metamaterials on pore parameters. Object of the research. Thermophysical properties of nanomaterials. Subject of the research. Molecular dynamics-based calculation of effective thermal conductivity in nanomaterials based on Si, Ge, and MoS2. Research methods. The LAMMPS open-source molecular dynamics simulator was used to model heat transport in nanoscale thin films. Scientific novelty of the results. A comprehensive study of the thermal conductivity of Si, Ge, and MoS2 nanofilms was conducted using molecular dynamics simulations. The influence of geometry and porosity on phonon heat transport was demonstrated, revealing mechanisms relevant to nanoscale heat management. Practical significance of the results. The approximated results can serve as input data for multiscale simulations, such as finite element modeling (FEM), facilitating more precise thermal management design at nano- and microscale levels.
dc.format.extent74 с.
dc.identifier.citationСуханевич, О. С. Моделювання ефективної теплопровідності наноматеріалів методами молекулярної динаміки : магістерська дис. : 105 Прикладна фізика та наноматеріали / Суханевич Олександра Сергіївна. - Київ, 2025. - 74 с.
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/78975
dc.language.isouk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорського
dc.publisher.placeКиїв
dc.subjectтеплопровідність
dc.subjectнаноматеріали
dc.subjectкремній
dc.subjectгерманій
dc.subjectдисульфід молібдена
dc.subjectLAMMPS
dc.subjectмолекулярна динаміка
dc.subjectthermal conductivity
dc.subjectnanomaterials
dc.subjectsilicon
dc.subjectgermanium
dc.subjectmolybdenum disulfide
dc.subjectmolecular dynamics
dc.subject.udc536.244:621.438
dc.titleМоделювання ефективної теплопровідності наноматеріалів методами молекулярної динаміки
dc.typeMaster Thesis

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
SukhanevychOS_mahistr.pdf
Розмір:
1.18 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
8.98 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Магістерські роботи (ПФ)
Магістерські роботи