基于分子动力学模拟的ZnS薄膜热导率的研究

作     者：吴宝丽 

作者单位：辽宁师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：白素媛

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：ZnS薄膜 热导率 分子动力学 空位缺陷 

摘      要：ZnS薄膜材料是新兴的宽禁带第三代半导体,一般有两种不同的结构,闪锌矿结构与纤锌矿结构,通常,闪锌矿结构更为稳定。闪锌矿硫化锌由于具有优良的物理、化学特性而被广泛的应用于很多的领域,如光电器件、太阳能电池等等。电子元器件都避免不了热量的产生,并且伴随着器件尺寸逐渐以微纳米为主,器件自身存在的传热和散热的问题变得尤为突出。为了使器件工作性能更稳定和可靠,完善器件的热设计和热管理,开展对闪锌矿ZnS薄膜材料的热导率的研究十分重要。由于低维材料理论尚无确论,而实验研究又十分困难,不仅需要投入非常贵的设备,而且还费时费力,计算机模拟的方法将更容易施行,并且还能降低成本。本文就应用了计算机模拟方法中的非平衡分子动力学的方法,利用了COMPASS力场,在NVE系综,及周期性的边界条件下,在室温300K下,研究了不同薄膜厚度与不同空位浓度下的闪锌矿ZnS薄膜材料的热导率。模拟的结果表明:当模拟的ZnS薄膜的厚度在12.92nm-17.25nm之间,其热导率的值范围在0.449742W/（m?K）-0.620647 W/（m?K）之间。硫化锌纳米薄膜的的热导率要明显的小于硫化锌体材料的热导率,显示出了纳米材料的尺寸效应。硫化锌纳米薄膜厚度增加时,热导率也增加。依据气动理论对尺寸效应展开了分析,模拟计算的薄膜在十几纳米时,薄膜的热导率是与模拟的薄膜厚度有依赖关系。当模拟含有硫空位的硫化锌薄膜,模拟的薄膜厚度为15.08nm。含有硫空位缺陷的ZnS薄膜的热导率要小于无缺陷的ZnS薄膜的热导率,且空位浓度从0.02790%增加到0.08371%,热导率从0.309075 W/（m?K）下降到0.21721W/（m?K）。产生这种结果的原因是由于空位缺陷引起晶格的改变,从而平均的自由程降低,导致了比纯晶体的ZnS薄膜的热导率数值小。