表面粗糙度对薄膜热导率的抑制作用
材料科学
2025-10-28 v1
摘要
理解硅纳米结构中的热输运对于半导体器件的有效热管理至关重要。在此类纳米结构中，边界散射可显著降低热导率。扩散边界散射可解释实验中观察到的薄膜热导率随厚度的依赖性（厚度为十纳米尺度），但引入表面粗糙度后，热导率进一步降低，远低于理论下限。在本研究中，我们使用无谐声子动力学计算了厚度最高达25纳米的粗糙薄膜的热导率及声子输运特性，探讨了表面粗糙度抑制热导率的机制。我们发现，在表面粗糙的超薄膜中，热导率因表面局域模式的混合导致的群速度减小以及表面原子间无谐力常数调制导致的松弛时间减小而被抑制。群速度的减小在宽广的厚度和表面粗糙度范围内显著抑制了热导率。相比之下，松弛时间的减小 exhibits 强烈的厚度依赖性。因此，在表面粗糙度约为0.1纳米且厚度低于5纳米的超薄膜中，应考虑此松弛时间的减小。由于未考虑表面粗糙度导致的热导率抑制机制，边界散射模型会对粗糙薄膜的热导率高估约100%。
引用
@article{arxiv.2510.22185,
title = {Suppression of Thin-Film Thermal Conductivity due to Surface Roughness},
author = {Michimasa Morita and Junichiro Shiomi},
journal= {arXiv preprint arXiv:2510.22185},
year = {2025}
}