Simulation of heat transport simulation in silicon nanostructures

MANCARDO VIOTTI A.; BEA EDGAR; CARUSELA M.F.; MONASTRA A.; A. SOBA

COMPUTATIONAL MECHANICS PUBLICATIONS

AMCA

Año: 2018

0927-7951

La conductividad térmica en muchossemiconductores, entre ellos el silicio, está determinada fundamentalmente porlos fonones. Las membranas o láminas ultra-delgadas micro/nanoestructurasbasadas en este material tienen una gran relevancia por sus variadasaplicaciones tecnológicas, y es particularmente interesante la potencialidadque posee para transportar el calor de manera dirigida y eficiente, permitiendoel ajuste de la conductividad térmica destinada a una aplicación tecnológicadeseada.            Estapropiedad se suele estudiar mediante dinámica molecular con potencialesclásicos, utilizando generalmente condiciones periódicas de contorno, lo quepresupone simular sistemas extendidos en una o varias de sus dimensiones. Sinembargo, si el sistema es de pocos nanómetros en todas sus dimensiones, lascondiciones periódicas no son realistas, y los efectos cuánticos, el tamañofinito, scattering de fonones en superficies, transporte balístico, entreotros, pueden jugar un rol relevante en las propiedades térmicas de laestructura.            Enparticular para analizar la contribución electrónica en el transporte de caloren sistemas de hasta unas decenas de nanómetros, en este trabajo empleamosdinámica molecular con dos acercamientos: 1) un potencial clásico empíricoTersoff-Brenner; 2) un potencial ?tight binding? semi-empírico. Este último consideraexplícitamente los electrones de valencia y aproxima la naturaleza cuántica delas interacciones utilizando funciones de a pares parametrizadas. Estaaproximación provee transferibilidad a diferentes entornos, robustez, y mayorrapidez de cómputo respecto a cálculos de primeros principios.            Enambos casos, el problema conlleva numerosos desafíos computacionales, si es quese desea elevar el número de átomos. El problema semi-empírico plantea laresolución en cada iteración de un sistema de autovalores simple, del que serequiere obtener un número algo mayor a la mitad de menor módulo. Para ello seemplea un sistema de Arnoldi modificado provisto por la librería ARPACK, y suversión paralelizada PARPACK. Para reducir los tiempos de cómputo se proponeparalelizar el problema. Sin embargo utilizar memoria distribuida aumentadrásticamente el número de comunicaciones entre procesos, por lo que serecurrió a algoritmos de memoria compartida para analizar la evolución de lossistemas interactuantes.