近场热记录系统热响应过程的分子动力学仿真

　　Gerd 等人于1985 年研制出了原子力显微镜Atomic Fo rce Micro scope ( AFM) [ 1] , AFM 主要应用于微观领域的成像技术和加工, 在此基础上, Binning等提出基于AFM 的热机械数据存储技术, 用于数据的存储、读写以及擦除, 针尖直径在50 纳米时, 数据存储密度可望达到100GB/ in2 . 热机械数据存储系统有可能成为令人满意的数据存储技术[ 2-5] .热机械写过程是在聚合物上施加一个局部力, 并加热探针针尖来软化聚合物层, 从而在基底上写下一个数据位, 如图1[ 5] 所示. 在探针加热过程中, 局部高温的探针针尖与基体构成了典型的一维热传导过程, 当针尖直径在纳米量级时, 所构成的微尺度热传导模型对了解声子输运、界面热阻机理有重要理论研究价值.

　　Peterson R. B. [ 6] 从德拜晶体模型中获得了基本声子频率散射以及采用很简单的声子碰撞模拟,模拟了连续有限体上的一维温度曲线. Ho- Ki Lyeo等人[ 7] 用超高真空扫描式热电显微镜研究半导体纳米结构的局部热电能, 揭示出当应用一个p-n 结时,在距结2 nm 内热电能图突然改变方向. Maruyama和Kimur a[ 8] 对固液界面热阻的计算表明, 固液界面热阻大约相当于5~ 20 nm 厚度的液体的热阻, 并随着液体对固体润湿能力的增加而迅速减少.Lukes 等[ 9] 采用NEMD 方法对薄膜的一半热传导特性进行了仿真, 仿真结果表明薄膜的热传导性能随薄膜厚度的增加而增加, 并最终可超过体态( bulk) 实验值30%左右. Li Shi、Arun Majumdar 等人[ 10-11] 通过实验方法, 证实当热源尺寸减小时, 固体和液体之间的传导变得更为重要, 液体薄膜的存在可以提高热传导. 然而, 由于针尖直径极其微小, 它和聚合物薄膜之间的热传导是很弱的, 影响了它的存储速度. 可以通过提高两者的作用时间或对针尖施加作用力来提高到聚合物的热传导, 但是如果针尖作用力太大或者作用时间过长就会导致聚合物上的数据点的尺寸过大, 影响存储密度. 所以如何准确的控制针尖作用力及作用时间是热机械写技术的一个重要问题.

　　为了进一步研究这个问题, 本文采用分子动力学Mo lecular dy namics( MD) 方法, 模拟针尖通过液体薄膜向基底传热的一维过程, 得出系统中各个位置的温度响应. 在此基础上, 对针尖施加作用力, 比较在不同的力作用下的温度响应, 讨论针尖施加的作用力的大小以及作用时间对传热过程的影响. 在纳米尺度范围内, 作为实验方法的一个有效补充手段, MD 方法已被广泛应用于热传导的研究工作中.MD 方法主要分为基于Green-Kubo 关系的平衡态分子动力学( EMD) 和基于Fourier 定律的非平衡态分子动力学( NEMD) 方法[ 12] . 本文采用的是NEMD 方法. 最后用数值差分方法[ 13 ] 求针尖传热的温度响应的数值解, 和分子模拟所得的解作比较.