Phonon-Wärmeleitung in einem Halbleiter-Nanorätsel

Ein Modell für die Phonon-Wärmeleitung in einem Halbleiter-Nanorätsel mit Abmessungen, die mit dem mittleren freien Weg der Phononen vergleichbar sind, wird entwickelt. Es basiert auf der Lösung von Boltzmanns Gleichung, die (i) die Modifikation der akustischen Phonondispersion aufgrund räumlicher Eingrenzung und (ii) die Veränderung der Nichtgleichgewichts-Phononverteilung aufgrund partiell diffuser Grenzflächenstreuung berücksichtigt. Numerische Simulationen werden für ein Silizium-Nanorätsel mit Grenzen durchgeführt, die durch unterschiedliche Grenzflächenrauhigkeiten gekennzeichnet sind. Phonon-Eingrenzung und Grenzflächenstreuung führen zu einer signifikanten Verringerung der Gitterwärmeleitfähigkeit. Der Wert dieser Verringerung und seine Abhängigkeit von der Rauheit der Grenzfläche und der Temperatur unterscheiden sich von den Vorhersagen früherer Modelle. Die beobachtete Änderung des thermischen Widerstands muss bei der Simulation von tief-submikronischen und nanometerskaligen Geräten berücksichtigt werden.