مدل سازی انتقال حرارت غیرفوریه ای در سیستم های با ابعاد نانو

با توجه به کاهش ابعاد وسایل الکترونیکی به منظور بهبود عملکرد آن ها، نیاز به مدلسازی حرارتی اجزای الکترونیکی همچون ترانزیستورهای نیمه هادی حس می شود. از طرف دیگر با کوچک شدن ابعاد سیستم و با توجه به عدم اعتبار قانون فوریه به عنوان مدل کلاسیک انتقال حرارت، مدل تأخیر فاز دوگانه به همراه شرط مرزی پرش دمایی به عنوان جایگزین مناسبی برای قانون فوریه در سیستم های با ابعاد نانو ارائه شده است. در این رساله به منظور ارائه مدل کاملاً غیرخطی تأخیر فاز دوگانه برای حل مسائل حرارتی در ابعاد نانو، هدایت حرارتی گذرا در حالت یک بعدی در یک فیلم نازک آرگون جامد با خواص حرارتی وابسته به دما مورد مطالعه قرار گرفته است. آرگون جامد یکی به دلیل اینکه رسانش انرژی در آن تنها از طریق فونون ها صورت می گیرد و دوم اینکه پتانسیل بین مولکولی موجود و استفاده شده برای این ماده به منظور شبیه سازی دینامیک مولکولی نتایجی بسیار نزدیک به نتایج تجربی ارائه می دهد، مورد توجه است. نتایج به دست آمده از مدل دی-پی-ال برای حالت های مختلف فیلم آرگون جامد با نتایج حاصل از شبیه سازی دینامیک مولکولی مورد مقایسه قرار گرفته اند. دیده شد که ترکیب مدل تأخیر فاز دوگانه با شرط مرزی دمایی ترکیبی قادر است تا توزیع دما و شار حرارتی به دست آمده از شبیه سازی دینامیک مولکولی را پیش بینی کند. نتایج مدلسازی افزایش عدد نادسن را تا نزدیکی مقدار 3/86 در نزدیکی مرز سمت راست برای سیستم با ظرفیت حرارتی ویژه حجمی وابسته به دما نشان داد. در قسمت دوم رساله، توزیع دما و شار حرارتی و نیز وضعیت نقطه داغ در یک ترانزیستور موسفت در سه حالت با شرایط مرزی و تولید حرارت حجمی نزدیک به یک ترانزیستور واقعی، توسط مدل تأخیر فاز دوگانه بررسی شده و تطابق نتایج با داده های اتمی موجود برای بعضی حالت ها مورد بررسی قرار گرفته است. مدل ارائه شده در این بخش قادر است وابستگی خواص حرارتی ترانزیستورها به دما و اندازه را نیز در نظر بگیرد. به دست آمد که در نظر گرفتن وابستگی به اندازه برای رسانندگی گرمایی پرش دمایی را به دلیل کاهش عدد نادسن کم می کند. همچنین سرعت انتشار شار حرارتی برای سیستم با رسانندگی گرمایی وابسته به اندازه کم تر از سیستم با رسانندگی گرمایی حجمی به دست آمد. در نظر گرفتن وابستگی دمایی برای پارامترهای گرمایی نیز نتایج مربوط به توزیع دما و شار حرارتی را کاملاً تغییر می دهد به طوری که سرعت انتشار افزایش و در نتیجه آن زمان رسیدن به حالت پایا کم تر می شود. نتایج همچنین نشان دادند که برای هندسه سوم همه ی مطالعات پیشین با در نظر گرفتن خواص حجمی سیلیکون مقدار بیشینه افزایش دما را کم برآورد کرده اند. در قسمت پایانی رساله ابتدا مروری کلی بر نسل جدید ترانزیستورهای موسفت انجام شده است و سپس ترانزیستورهای موسوم به موسفت های با ضریب دی الکتریک بالا و گیت فلزی مورد مطالعه قرار گرفته اند. این سری از ترانزیستورها در ادامه روند تکنولوژی کاهش اندازه موسفت ها با توجه به این که ترانزیستورهای رایج سیلیکونی از حدی نمی توانند کوچک تر شوند، معرفی شدند. در این رساله مواد دی الکتریک مختلفی که در موسفت های نسل جدید مورد توجه قرار گرفته اند بررسی می شوند. محاسبات انجام شده مناسب ترین ماده دی الکتریک برای استفاده در این نوع از ترانزیستورها از دیدگاه حرارتی را زیرکونیم دی اکساید یا همان زیرکونیا معرفی می کند.