本發(fā)明屬于信息，具體涉及一種二維范德華半導(dǎo)體材料與器件界面熱輸運(yùn)性能的模擬方法。

背景技術(shù)：

1、微納電子器件作為信息技術(shù)革命的基石，其在通信、計(jì)算、傳感和存儲(chǔ)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對(duì)現(xiàn)代社會(huì)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。然而，隨著器件微型化和功能集成度的飛速發(fā)展，微納電子器件在高強(qiáng)度工作狀態(tài)下堆積的熱量已不可避免。特別是在高頻率、高電流密度的操作環(huán)境中，局部區(qū)域的熱能來(lái)不及有效散出，形成所謂的“熱點(diǎn)”。這些熱點(diǎn)不僅導(dǎo)致電子遷移速率減慢，影響器件的電學(xué)性能，還會(huì)引發(fā)材料的物理和化學(xué)性質(zhì)變化，如晶格膨脹、材料相變，乃至結(jié)構(gòu)損壞，嚴(yán)重縮短了電子器件的使用壽命。此外，熱失控還可能觸發(fā)相鄰元件的故障，引發(fā)系統(tǒng)級(jí)的連鎖反應(yīng)，影響整個(gè)系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

2、界面熱導(dǎo)是電子器件其中最為棘手的問(wèn)題之一。在異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，不同材料間的界面由于原子排列不連續(xù)、聲子散射機(jī)制復(fù)雜等因素，成為熱傳遞的“瓶頸”，顯著阻礙了熱能從熱源到散熱介質(zhì)的有效轉(zhuǎn)移。這不僅要求材料本身具備良好的熱導(dǎo)率，更強(qiáng)調(diào)了界面熱導(dǎo)性能的優(yōu)化。尤其值得注意的是，對(duì)界面熱導(dǎo)的研究揭示了熱傳輸在異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面的復(fù)雜性，而界面工程成為提高熱管理效率的關(guān)鍵。通過(guò)精確控制界面的化學(xué)性質(zhì)、形貌和相互作用，可以顯著降低熱阻，提高熱流通過(guò)界面的能力。同時(shí)，對(duì)熱傳輸機(jī)制的深入理解，如聲子橋、界面聲子散射等效應(yīng)的研究，為設(shè)計(jì)更高效的熱管理方案提供了理論基礎(chǔ)。

3、二維范德華(van?der?waals,vdw)半導(dǎo)體材料，如石墨烯、二硫化鉬(mos2)、氮化硼(hbn)等，因其獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物理性質(zhì)，為解決界面熱量堆積問(wèn)題提供了新的視角[1,2,4,6]。這些材料的層間相互作用主要依賴于較弱的vdw力，這不僅使得它們易于與其他材料形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)，還為調(diào)控?zé)彷斶\(yùn)特性提供了可能性。特別是，通過(guò)精確控制這些二維材料的層間距、取向和界面質(zhì)量，可以顯著影響熱載流子(主要是聲子)的傳輸效率，從而優(yōu)化熱管理性能。

4、第一性原理計(jì)算在界面熱導(dǎo)研究中展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)，它從微觀角度出發(fā)，基于量子力學(xué)底層理論，能夠精確模擬材料的電子結(jié)構(gòu)與聲子動(dòng)力學(xué)特性，無(wú)需依賴實(shí)驗(yàn)參數(shù)，直接揭示界面熱輸運(yùn)的微觀機(jī)制。這種方法不僅能夠詳盡解析聲子的散射模式、頻率分布及群速度等，為理解熱導(dǎo)率提供原子級(jí)別的視角，而且能夠深入探討界面化學(xué)鍵對(duì)熱輸運(yùn)性質(zhì)的調(diào)控作用。通過(guò)理論計(jì)算，研究者得以在虛擬環(huán)境中設(shè)計(jì)并優(yōu)化材料結(jié)構(gòu)，預(yù)測(cè)熱電性能，指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)材料的合成與性能改進(jìn)，極大提高了研究的效率和準(zhǔn)確性。此外，結(jié)合非諧振動(dòng)效應(yīng)的精確計(jì)算，第一性原理計(jì)算能夠全面捕捉界面熱輸運(yùn)的復(fù)雜性，為解決熱管理中的關(guān)鍵問(wèn)題，如界面熱阻的降低和熱導(dǎo)率的調(diào)控，提供了強(qiáng)大的理論工具和設(shè)計(jì)策略，有效推動(dòng)了高性能熱管理材料的發(fā)展與應(yīng)用。

5、在優(yōu)化二維范德華半導(dǎo)體器件界面熱輸運(yùn)性能的研究中，兩大關(guān)鍵挑戰(zhàn)浮現(xiàn)：首先，精確模擬復(fù)雜界面的熱輸運(yùn)極其困難，需克服由聲子散射、化學(xué)鍵特性及界面粗糙度等因素導(dǎo)致的熱阻預(yù)測(cè)復(fù)雜性。因此，開(kāi)發(fā)更精細(xì)的計(jì)算模型，考慮微觀細(xì)節(jié)，以設(shè)計(jì)出低界面熱阻的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，成為緊迫任務(wù)。其次，理論預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的匹配問(wèn)題凸顯，實(shí)際應(yīng)用中材料缺陷、應(yīng)變及界面不完美性等復(fù)雜情況要求更先進(jìn)的計(jì)算方法與高精度實(shí)驗(yàn)技術(shù)的結(jié)合，確保模型驗(yàn)證的準(zhǔn)確性和熱管理策略的有效性。建立可靠的理論-實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證體系，對(duì)指導(dǎo)實(shí)際材料設(shè)計(jì)和熱管理策略優(yōu)化至關(guān)重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、一種二維范德華半導(dǎo)體材料與器件界面熱輸運(yùn)性能的模擬方法，通過(guò)對(duì)表面原子鍵弛豫、異質(zhì)結(jié)界面效應(yīng)和一維核殼納米線熱阻調(diào)控的深入探索，以及后續(xù)在二維材料如層狀范德華mow3x8薄膜、硅烯氫化效應(yīng)和janus鎢硒硫雙層薄膜熱輸運(yùn)性質(zhì)的研究，本發(fā)明旨在通過(guò)第一性原理計(jì)算方法(1)精確解析二維范德華半導(dǎo)體器件界面的熱輸運(yùn)機(jī)制，界面熱導(dǎo)精確建模，針對(duì)當(dāng)前存在的界面熱阻精確建模與優(yōu)化策略缺失的問(wèn)題，以及理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證之間存在的差距。目標(biāo)在于發(fā)展高精度的計(jì)算模型，以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)并優(yōu)化界面熱導(dǎo)率。(2)通過(guò)理論與實(shí)驗(yàn)的緊密結(jié)合，驗(yàn)證并調(diào)整模型參數(shù)，確保計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的高度一致性。研究將集中于探索界面結(jié)構(gòu)的微調(diào)策略，以實(shí)現(xiàn)超低界面熱阻，進(jìn)而為微納電子器件的熱管理提供理論支撐和設(shè)計(jì)指導(dǎo)，推動(dòng)高性能、高可靠性電子器件的開(kāi)發(fā)。

2、包括以下步驟：

3、步驟一：界面熱導(dǎo)精確建模與理論計(jì)算優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)界面熱導(dǎo)的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)與降低策略

4、1)模擬多因素對(duì)器件界面的影響：通過(guò)準(zhǔn)確計(jì)算聲子色散關(guān)系，包括頻率和群速度，深入了解反鍵化學(xué)鍵對(duì)聲子傳播的影響機(jī)制。此外，第一性原理方法還允許我們進(jìn)行精確的非諧振動(dòng)特性模擬，揭示了器件界面與熱量耗散之間的內(nèi)在聯(lián)系。針對(duì)微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，我們可以利用計(jì)算結(jié)果優(yōu)化化學(xué)鍵，預(yù)測(cè)熱電性能。

5、模擬電子器件的熱輸運(yùn)行為，通過(guò)第一性原理與熱動(dòng)力學(xué)模型相結(jié)合，有助于在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中評(píng)估材料性能的穩(wěn)定性和可靠性。

6、2)優(yōu)化界面模型，提高器件界面熱導(dǎo)：第一性原理計(jì)算方法的不斷拓展，如引入機(jī)器學(xué)習(xí)和高性能計(jì)算，將提高研究的準(zhǔn)確度和效率，為探索超低熱導(dǎo)率材料提供新的研究路徑。

7、步驟二：界面熱輸運(yùn)機(jī)制的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與性能優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)驗(yàn)的深度結(jié)合與驗(yàn)證體系建立

8、1)結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)量，實(shí)驗(yàn)與理論對(duì)比驗(yàn)證：首先，依托于成熟的理論計(jì)算方法，如密度泛函理論(dft)，在原子級(jí)別精確解析二維范德華半導(dǎo)體界面的熱輸運(yùn)機(jī)制，這一理論先行的策略為后續(xù)研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。緊接著，通過(guò)引入分子動(dòng)力學(xué)模擬和機(jī)器學(xué)習(xí)輔助計(jì)算，在實(shí)驗(yàn)層面，我們規(guī)劃了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牟牧现苽渑c性能測(cè)試流程，利用先進(jìn)的制備技術(shù)如化學(xué)氣相沉積(cvd)和原子層沉積(ald)，確保理論設(shè)計(jì)的材料能夠被精確實(shí)現(xiàn)并測(cè)試，通過(guò)理論預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的互饋，不斷優(yōu)化模型和策略。

9、2)檢索預(yù)測(cè)新型二維范德華異質(zhì)結(jié)器件

10、步驟三：通過(guò)上述步驟實(shí)現(xiàn)微納電子器件熱管理性能的顯著提升和熱可靠性增強(qiáng)，發(fā)現(xiàn)其中的反鍵化學(xué)鍵對(duì)力學(xué)和熱力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生了顯著影響，黑磷與二氧化硅絕緣體間的界面熱導(dǎo)表現(xiàn)出了明顯的尺寸效應(yīng)界面熱導(dǎo)g可以根據(jù)以下公式得到：

11、

12、其中δj是界面間的凈熱流差，ω是聲子振動(dòng)頻率，ξ是界面間與結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)的的聲子透射系數(shù)，d是聲子態(tài)密度，n是聲子數(shù)密度。由該公式可知，結(jié)構(gòu)的界面熱導(dǎo)可以通過(guò)結(jié)構(gòu)尺寸效應(yīng)調(diào)控，即黑磷與二氧化硅間存在的界面效應(yīng)大小可以通過(guò)納米尺度調(diào)節(jié)，從而精確調(diào)控兩者間的界面熱導(dǎo)。在納米尺度內(nèi)調(diào)節(jié)二維半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的界面效應(yīng)可以調(diào)控異質(zhì)結(jié)的界面聲子透射率，從而達(dá)到精確控制二維半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)界面熱輸運(yùn)性質(zhì)的目的。隨著黑磷薄膜厚度從塊體變到單層時(shí)，黑磷/二氧化硅異質(zhì)結(jié)的界面熱導(dǎo)從55mwm-2k-1上升到70mwm-2k-1，實(shí)現(xiàn)了27％的增加幅度。黑磷異質(zhì)結(jié)展現(xiàn)出來(lái)的高效可控的界面熱輸運(yùn)性質(zhì)可以用以制造具有高速導(dǎo)熱能力的黑磷基納米材料可以將器件中堆，解決新型納米電子器件中因熱量堆積而導(dǎo)致器件不穩(wěn)定的問(wèn)題。

13、綜上所述，本發(fā)明具有以下有益效果：1.將前沿的理論計(jì)算方法，特別是第一性原理計(jì)算與實(shí)驗(yàn)技術(shù)緊密結(jié)合，開(kāi)創(chuàng)性地構(gòu)建了一套從微觀機(jī)制解析到實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證的全鏈條研究體系。通過(guò)精準(zhǔn)模擬二維范德華半導(dǎo)體界面的熱輸運(yùn)特性，我們不僅能夠深入理解反鍵化學(xué)鍵等微觀結(jié)構(gòu)因素對(duì)熱導(dǎo)率的調(diào)控機(jī)理，還能設(shè)計(jì)并優(yōu)化界面結(jié)構(gòu)，直接指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)材料的合成與性能測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了從理論預(yù)測(cè)到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的無(wú)縫對(duì)接，大大提升了研究的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。2.多尺度界面熱管理策略的創(chuàng)新開(kāi)發(fā)。針對(duì)界面熱阻這一熱管理領(lǐng)域的核心挑戰(zhàn)，本發(fā)明創(chuàng)新性地提出了多維度的界面優(yōu)化策略，旨在通過(guò)精確調(diào)控二維材料的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)，顯著降低界面熱阻，優(yōu)化熱傳輸效率。這一策略的提出不僅豐富了界面熱管理的技術(shù)手段，更為微納電子器件的高效散熱和熱穩(wěn)定性提供了全新的設(shè)計(jì)思路，具有重大的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。