通过表面钝化调控硅纳米线的热导率

利用大规模分子动力学模拟，我们研究了裸露与表面钝化硅纳米线（SiNWs）的热导率。对于截面宽度 $w \le 2$ nm 的 SiNWs，由于表面非晶化以及部分 Si 原子的蒸发，其变得不稳定。所观察到的表面（不）稳定性源于表面 Si 原子相对于体相 Si 的较大过剩能量 $\Delta$，这是由表面原子配位数较低且具有悬键所导致的。我们首先提出一种具有实际意义的方法，以 $\Delta$ 为指导工具，用氢或氧钝化这些悬键，从而稳定 SiNWs。这些钝化后的 SiNWs 被用于计算热导率系数 $\kappa$。尽管所有 SiNWs 均观察到 $\kappa \propto w$ 的预期趋势，但表面钝化提供了通过钝化原子的表面覆盖浓度 $c$ 来调控 $\kappa$ 的额外灵活性。事实上，相对于体相 $\kappa$，当 $c \to 50\%$ 时 SiNW 的钝化使 $\kappa$ 降低 75–80%，而在完全钝化样品中又恢复 50%。通过谱能量密度分析声子能带结构，我们讨论了表面与核心对 $\kappa$ 的各自贡献。我们的结果还表明，表面钝化提高了 SiNW 的刚度，有助于 $\kappa$ 的可调性。