5.1 結論
本研究利用分子動力學模擬探討聚乙烯分子鍊之熱傳機制。本研究分 別以平衡式分子動力學法、非平衡式分子動力學法與波茲曼傳輸方程式計 算聚乙烯分子鍊之熱傳導率。由於此一維分子鍊存在著非線性的振盪模式 故以平衡式分子動力學法無法得到收斂的結果。此外，非平衡式分子動力 學法由於採用古典統計方法，所以在低溫下高估聚乙烯分子鍊之熱傳導率。
而波茲曼傳輸方程式由於採用玻色-愛因斯坦分佈描述聲子，因此在低溫 時所計算之結果與實驗量測相吻合。由此可知，在低溫下波茲曼傳輸方程 式亦適用於計算材料之熱傳導率。
結果顯示聚乙烯分子鍊之熱傳導率隨著溫度增加到達一峰值後而逐 漸下降。造成熱傳導率隨溫度上升之原因為聲子被激發的模式隨著溫度上 升而增加。而在高溫範圍時，由於聲子與聲子之間的作用較明顯，故造成 熱傳導率隨溫度稍微下降。
此外，聚乙烯分子鍊熱傳導率隨長度增加而上升且收斂至一定值。此 乃因較短的分子鍊其鍊長限制了聲子平均自由徑，故熱傳導率隨著分子鍊
長度增加而增加。當分子鍊的長度長於聲子平均自由徑時，熱傳導率將不 再受分子鍊長度影響。
本研究得到聚乙烯分子鍊在溫度為 300 K 時之熱傳導率高達 45 W/m-K，此值相較於塊材聚乙烯熱傳導率(0.3~0.5 W/m-K)，約提升了 100 倍。此熱傳增強的原因為聲子在聚乙烯分子鍊有較大速度與較長的平均自 由徑。聚乙烯分子鍊的聲子平均自由徑與聲子群速較塊材分別提高了 20 倍與 5 倍。此高熱傳導率聚合物有相當廣的應用層面，其可應用於微電子 元件散熱、微元件封裝與可撓曲電子產品等。
5.2 未來工作
近年有研究發現，奈米纖維表面之粗糙度和缺陷會導致熱傳導率大幅 下降 [38-41]，但是缺陷影響熱傳導的機制則尚未完全明瞭。本研究未來 工作將繼續探討分子鍊中存在的缺陷對其熱傳導率之影響，其系統示意圖 如圖 5.1 所示，圖中淡粉色標示為缺陷。此研究可幫助了解缺陷對聲子傳 遞的影響，且在實際應用上應有很大的幫助。
圖 5.1 聚乙烯分子鍊內含缺陷示意圖
最近亦有研究指出當矽奈米線包覆著厚度約幾奈米的鍺金屬，形成之 矽鍺殼層奈米線(Si/Ge core-shell nanowire)(見圖 5.2)，將使矽奈米線熱傳導 率大幅下降約 75 %左右[42]。推測其下降原因為矽與鍺的交界面會使聲子 產生散射，故造成熱傳導率下降，但詳細的機制則尚未被完全明瞭。本研 究將利用分子動力學模擬結合波茲曼傳輸方程式，去探討此殼層奈米線之 熱傳，所得結果將有助於釐清殼層奈米線之熱傳機制。
圖 5.2 殼層奈米線示意圖