Modeling Instructions モデル設定


#1

Modeling Instructions モデル設定

このページでは、それぞれのプロジェクトファイルの設定方法の詳細が示されます。プロジェクトファイルは、この例題の最初のページからダウンロードすることができます。 それを使用すると、モデル設定の必要はありません。下記には、3つのプロジェクトファイルを、初めから生成する方法が示されています。

薄膜の大気冷却 (オプション1: 対流性境界条件の使用)
モデル設定のこの部分では、薄膜シリコンの上下面に、対流性境界条件を使用した、大気冷却シミュレーションのDEVICEプロジェクトファイルの詳細な生成方法が示されます。プロジェクトファイル生成にあたり、DEVICEを立ち上げてください。fileメニュー下のsaveオプションを選択することにより、空のプロジェクトファイルを保存して下さい。はじめに与えられたダウンロード用のプロジェクトファイルと一致させるため、"thin_film.ldev"というプロジェクト名を設定して下さい。

材質データベース
ボタンをクリックすることにより、材質データベースウィンドウを開いて下さい。DEVICEの材質データベースには、40以上の半導体、化合物半導体、導体、絶縁体の材質データが保存されています。さらに、シミュレーション領域に設定できる液体やガス(例えば大気)に適用できる、 “Fluid” とよばれる5番目の材質タイプが存在します。この例では、薄膜シリコンの材質特性を定義するために、材質データベース内で利用できる"Si (Silicon)"を使用します。
下のスクリーンショットで示されているように、半導体のシリコン(Si)の材質特性ウィンドウには3つのタブがあります。Electronic Properties、Recombination,Thermal Propertiesの3つです。最初の2つのタブは、電荷ソルバーによって使用される電気的特性を含みます。3番目のタブ(Thermal Properties)は、熱伝導ソルバーで使用される熱特性を含みます。この例では、熱伝導特性のみが使用されます。

固体の熱特性
(半導体、導体、絶縁体、化合物半導体)
材質リストから"Si (Silicon)"を選択して下さい。"Thermal Properties"タブをクリックして下さい。ここには2つのタイプの特性が存在します。熱伝導特性は、密度、比熱と固体の熱伝導率が含まれます。また、電気伝導特性には、固体の電気伝導が含まれます。密度以外の全ての特性値は、温度依存性をもつことができ、対応する温度依存性特性は、 ボタンをクリックすることにより、オン・オフすることができます。
この例の目的では、温度依存性はオフされます。

流体の温度特性
(液体またはガス)
材質リストから、“Air” を選択して下さい。"Thermal Properties"タブをクリックして下さい。DEVICEでは、流体は絶縁体として扱われるため、電気伝導特性はありません。
熱伝導特性は密度、比熱、熱伝導率、動粘性係数と流体の熱膨張率が含まれています。これらの全ての特性は、温度依存性を持つことができ、対応する温度依存特性は、ボタンをクリックすることによって、オン・オフすることができます。
この例では、温度依存性はオフされます。
注意: thin_film.ldevプロジェクトファイルのオプション1では、大気材質は使用されません。
hin_film_with_air.ldevプロジェクトファイルを生成するオプション2で、大気材質が使われます。

温度依存性モデルの使用
Hovering the mouse over the window will show a text providing the definition of the different parameters/coefficients used in the model.
温度依存性モデルのオン・オフやパラメータ変更をどのようにするかを確認するため、“Si (Silicon)” 材質を選択して下さい。それから、“Thermal Properties” タブを開き、固体の比熱の温度依存性を使用したモデルを確認するため、ボタンをクリックして下さい。
"Enable model"チェックマークは、温度依存性を行うために使用することができます。それがオンされると、係数の変更が可能となります。シリコンの係数のデフォルト値は、材質データベース内のものを使用することができます。温度依存性を記述する方程式は、ウィンドウの下部に表示されます。ウィンドウ上でマウスをホウバーさせると、モデルで使用されている異なったパラメータ/係数の定義が表示されます。

注意: この例では、温度依存性をオフにして下さい。

Geometry 構造
ボタンは、シミュレーション領域に構造を導入するために使われます。ボタンの右側の矢印をクリックすることにより、様々なタイプの構造をシミュレーション領域に導入することができます。薄膜シリコンを生成するために、Rectangle(直方体)を選択して下さい。(“Objects Tree” 内の “model” の下にも表示されます)。Rectangle(直方体)を選択し、その特性値を設定するために ボタンをクリックして下さい。直方体を設定するために、各方向の中心とスパンを設定するか、各方向の最小値と最大値を設定して下さい。

注意: 薄膜のサイズは、その仕様よりも少し大きく設定されています。シミュレーション領域は、熱ソルバー領域によって定義されます。従って、直方体の構造が多少大きく設定され、シミュレーションされる構造が所定のサイズになるよう、シミュレーション領域の長さと厚みが使われます。

シミュレーション領域
ボタンの右側の矢印をクリックし、Heat Transport Solverを選択して下さい。これにより、シミュレーション領域は、熱ソルバーに設定されます。熱ソルバーが選択されると、熱ソルバーに含まれるシミュレーションオブジェクトのボタンが使用できるようになります。次の表に従って、その特性値を入力するために、Objects Treeの左側のボタンをクリックして下さい。

注意: ソルバー領域のxとzスパンは、シミュレーションされる薄膜の長さと厚みを設定し、norm lengthは、幅を設定します。

モニター

温度モニター
ボタンの右側の矢印をクリックし、シミュレーション領域内に温度モニターを設定するため、“Temperature” を選択して下さい。
Objects Tree内の温度モニターを選択し、次の表に従って、下記の特性値を入力するため、Objects Treeの左側のボタンをクリックして下さい。

注意: 温度モニターのxスパンは、ソルバー領域よりも多少大きく設定されています。このような場合、シミュレーション結果のデータの幅は、ソルバー領域の幅で決まります。

境界条件

熱境界条件は、画面の下にある “Boundary Conditions” で生成と修正が可能です。境界条件には3つのタイプがあり、熱境界条件、電圧境界条件と電極があります。最初の2つの境界条件は、熱ソルバーで使用され、電極は電荷ソルバーで使用されます。

Left
ここでは、薄膜の左端の温度設定を、一定の400 Kに設定する熱境界条件を使用します。“Add” ボタンの右側の矢印をクリックし、“Thermal boundary” を選択して下さい。thermal_boundary を選択し、次の表に従って、その特性値を入力するため、“Edit” ボタンをクリックして下さい。

Top
ここでは、薄膜の上表面を、対流性境界条件に設定するため、一定の対流性熱伝導係数h = 10 W/m2Kを設定します。“Add” ボタンをクリックし、“Thermal boundary” を選択して下さい。thermal_boundaryを選択し、次の表に従って、その特性値を入力するため、“Edit” ボタンをクリックして下さい

bottom
ここでは、薄膜の下表面を、対流性境界条件に設定するため、一定の対流性熱伝導係数h = 10 W/m2Kを設定します。“Add” ボタンをクリックし “Thermal boundary” を選択して下さい。thermal_boundaryを選択し、次の表に従って、その特性値を入力するため、“Edit” ボタンをクリックして下さい。

これで、プロジェクトファイルの設定は終了しました。“File” メニューを使って、このファイルを保存してください。
この例の始めのページに示された方法に従って、シミュレーションを実行して下さい。

薄膜の大気冷却 (オプション2: 大気(流体)の使用)
モデル設定のこの部分では、材質境界に、シリコンと大気(流体)間に対流性境界条件を使用した、シリコン薄膜の大気冷却シミュレーションのDEVICEプロジェクトの生成方法の詳細を示します。
はじめに、DEVICEを立ち上げ、“File” メニュー下の “Save” オプションを選択することにより、空のプロジェクトファイルを保存して下さい。最初に与えられたプロジェクトファイルと一致させるため、保存したプロジェクトファイル名を “thin_film_with_air.ldev” と名付けて下さい。

材質データベース
固体と流体の材質特性に関して、上のオプション1で学んだ方法を参照して下さい。
材質境界
材質境界ウィンドウを開くために、ボタンをクリックして下さい。ここでは、任意の材質間の境界における電荷、および熱境界条件を定義することができます。左側のリストには、材質データベース内の全ての材質が表示されます。
このリストからある材質が選択されると、右側の “Surface Properties” ウィンドウに材質(境界)のリストが表示され、選択された材質を持つ境界の境界条件を定義できます。
“Electrical” タブと “Thermal” タブがあり、“Electrical” タブは、電荷ソルバーの表面特性を定義し、“Thermal” タブは、熱ソルバーの表面特性を定義します。この例では、“Thermal” タブのみ使用します。

Material Interfacesウィンドウ内で、“Si (Silicon)” を選択し、Intersacesウィンドウ内のリストから、“Air” 材質を選択して下さい。
“Thermal” タブを選択して下さい。材質境界を定義するHeat flux 、ConvectionとRadiationの3つの熱境界条件があります。複数のモデルを同時にオンさせることができます。
•Heat flux:
このオプションは、材質間の境界で一定の熱流(W/m2)を定義するのに使われます。
•Convection:
このオプションは、材質間の境界に対流性境界条件を定義するのに使われます。5つの異なったモデルが利用可能です。利用可能なモデルの詳細に関してはMaterial InterfacesのKBページを参照願います。

•Radiation:
このオプションは、材質間の境界に、輻射境界条件を定義するのに使われます。定義されるパラメータは、周囲温度(K)と固体の放射率(0 から1)です。
この例では、“Convection” モデルを使用し、シリコンと大気間の境界として、対流性境界条件を定義するため"Constant" モデルを選択して下さい。周囲温度を300Kに設定し、hの値を10 W/m2Kに設定して下さい。

構造
thin_film
ボタンの右側の矢印をクリックして、Rectangle(直方体)を選択し、シミュレーション領域に直方体を設定して下さい。
Rectangle(直方体)を選択してボタンをクリックし、次の表に従って特性値を入力して下さい。

air
ボタンの右側の矢印をクリックし、Rectangle(直方体)を選択して、シミュレーション領域に直方体を設定して下さい。
rectangle(直方体)を選択して ボタンをクリックし、次の表に従って、特性値を入力して下さい。

注意: メッシュオーダー(メッシュ優先順位)
“air” オブジェクトのメッシュオーダーは、thin_filmのない領域だけを満たすように大きな値(5)に設定して下さい。
DEVICEでのメッシュオーダーに関する詳細情報は、this pageを参照して下さい。
注意: 薄膜の長さは、仕様よりも多少大きく設定されています。シミュレーション領域の長さは、最終的に熱ソルバー領域によって定義されます。従って、直方体の構造は多少大きく設定し、シミュレーションされる構造が所定のサイズをもつように、ソルバー領域の長さが使われます。

ソルバー領域
ボタンの右側の矢印をクリックし、Heat Transport Solverを選択して下さい。これにより、シミュレーション領域は、熱ソルバーに設定されます。熱ソルバーが選択されると、熱ソルバーに含まれるシミュレーションオブジェクトのボタンが使用できるようになります。次の表に従って、その特性値を入力するために、Objects Treeの左側のボタンをクリックして下さい。

注意: ソルバー領域のxとzスパンは、シミュレーションされる薄膜の長さを設定し、norm lengthは幅を設定します。

モニター

温度モニター
ボタンの右側の矢印をクリックし、シミュレーション領域内に温度モニターを設定するため、“Temperature” を選択して下さい。
Objects Tree内の温度モニターを選択し、次の表に従ってその特性値を入力するため、Objects Treeの左側のボタンをクリックして下さい。

注意: 温度モニターのxスパンは、ソルバー領域よりも多少大きく設定されています。このような場合、シミュレーション結果のデータの幅は、ソルバー領域の幅で決まります。

境界条件

left
ここでは、薄膜の左端の温度設定を、一定の400 Kに設定する熱境界条件を使用します。“Add” ボタンをクリックし、“Thermal boundary” を選択して下さい。
thermal_ boundaryを選択し、次の表に従って、その特性値を入力するために、"Edit"ボタンをクリックして下さい。

これで、プロジェクトファイルの設定は終了しました。“File” メニューを使ってこのファイルを保存し、この例の最初のページに示された方法に従って、シミュレーションを実行して下さい。

最上部にグラフェン層を持つ薄膜の熱伝導
モデル設定のこの部分では、最上部にグラフェン層を持ち、複数層の薄膜ガラスの熱伝導の時間依存性をシミュレーションするためのDEVICEプロジェクトファイルを生成する詳細方法を示します。
はじめに、DEVICEを立ち上げ、“File” メニュー下の “Save” オプションを選択して、空のプロジェクトファイルを保存して下さい。はじめに与えられたプロジェクトファイルと一致させるために、"graphene_on_thin_film.ldev"というプロジェクトファイル名を付けて下さい。

材質データベース
ボタンをクリックして、材質データベースウィンドウを開いて下さい。固体と流体の材質特性に関しては、オプション1の方法を参照願います。この例では、グラフェンとして、“Conductor” タイプの材質モデルを使用します。
新材質用のボタンをクリックし、Conductorを選択して下さい。New Materialを選択し、次の表に従って特性値を設定して下さい。

注意: ここでは、グラフェンの熱特性のみに注目します。電荷シミュレーションを実行しないので、“Electrical Properties” タブは使用されません。

構造

thin_film
ボタンの右側の矢印をクリックし、Rectangle(直方体)を選択して、シミュレーション領域に直方体を設定して下さい。rectangle (直方体)を選択し ボタンをクリックし、次の表に従って、その特性値を設定して下さい。

Graphene
ボタンの右側の矢印をクリックし、Rectangle(直方体)を選択し、シミュレーション領域に直方体を設定して下さい。rectangle(直方体)を選択し、次の表に従って、その特性値を設定するためにボタンをクリックして下さい。

注意: 薄膜とグラフェン層の長さと厚みは、仕様より多少大きく設定されています。材質の長さと厚さは、熱ソルバー領域によって定義されます。従って、直方体構造は多少大きく設定され、シミュレーションされる構造が所定の大きさを持つように、ソルバー領域のサイズが使われます。

ソルバー領域
ボタンの右側の矢印をクリックし、Heat Transport Solverを選択して下さい。これにより、シミュレーション領域は、ヒートソルバーに設定されます。熱ソルバーが選択されると、熱ソルバーに含まれるシミュレーションオブジェクトのボタンが使用できるようになります。次の表に従って、その特性値を入力するために、Objects Treeの左側のボタンをクリックして下さい。

注意: ソルバー領域のxスパンは、シミュレーションされる薄膜とグラフェン層の長さを設定し、norm lengthは幅を設定します。ソルバー領域のzスパンは、薄膜ガラスとグラフェン層の厚みを、設定された値に設定します。

境界条件

left
ここでは、シミュレーション領域の左端の温度を、一定の300Kに設定する熱境界条件を使用します。“Boundary Conditions” ウィンドウ内で “Add” ボタンをクリックし、thermal_boundaryを選択して下さい。thermal_boundaryを選択し、次の表に従って、その特性値を設定して下さい。

right
ここでは、シミュレーション領域の右端の、時間に対する温度変化を設定するための熱境界条件を使用します。t = 0 fsで300Kの温度からスタートし、1e9 fsで400Kに移行し、1e11 fsまでその値を保ちます。“Boundary Conditions” ウィンドウ内の “Add” ボタンをクリックし、"Thermal boundary"を選択して下さい。thermal_boundaryを選択し、次の表に従って、その特性値を設定するために、“Edit” ボタンをクリックして下さい。

注意: 熱設定の時間列の最大値は、遷移シミュレーションの最後の時間を定義します。

これで、プロジェクトファイルの設定が終了します。“File” メニューを使用し、このファイルを保存して下さい。
この例の最初のページの手順に従って、ファイルを実行して下さい。