29.Особливості поширення тепла в низьковимірних системах. Тепловий опір інтерфейсу.
Межфазное тепловое сопротивление , также известное как термическое сопротивление пограничного или сопротивления Капицы , является мерой сопротивления интерфейса , к тепловому потоку. Это тепловое сопротивление отличается от контактного сопротивления (не следует путать с электрическим контактным сопротивлением ) , поскольку он существует даже на атомарне совершенных интерфейсов. Из - за различия в электронных и колебательных свойствах в различных материалах, когда носитель энергии (фононы или электроны, в зависимости от материала) пытается пройти через интерфейс, он будет рассеивать на границе раздела. Вероятность передачи после того, как рассеяния будет зависеть от имеющихся энергетических состояний на стороне 1 и 2 части интерфейса.
Предполагая, что константа тепловой поток подается через интерфейс, это межфазное тепловое сопротивление приведет к конечной температуре разрыва на границе раздела фаз. С расширением закона Фурье, мы можем написать
где это применяется поток, является наблюдаемым падение температуры, является тепловой границей сопротивления, и является его обратным, или тепловой граничной проводимостью.
Понимание теплового сопротивления на границе раздела между двумя материалами имеет первостепенное значение при изучении его термических свойств. Интерфейсы часто вносят значительный вклад в наблюдаемых свойств материалов. Это еще более важно для наноразмерных систем , в которых интерфейсы могут существенно влиять на свойствах по отношению к сыпучим материалам.
Низкое тепловое сопротивление на границах раздела технологически важно для применений , где очень высокое тепловыделение является необходимым. Это вызывает особую озабоченность развитием микроэлектронных полупроводниковых приборов , как это определено Международным технологии дорожной карты для полупроводников в 2004 году , где 8 нм устройство размер элемента, согласно прогнозам, генерировать до 100 000 Вт / см 2 , и потребуется эффективное рассеивание тепла за ожидаемого умирают тепловой поток на уровне 1000 Вт / см 2 , которая на порядок выше , чем в настоящее время устройств. С другой стороны, приложение , требующее хорошая тепловая изоляцию , такие как реактивные двигатели турбин выиграет от интерфейсов с высоким тепловым сопротивлением. Это также требует существенных интерфейсов , которые являются стабильными при очень высокой температуре. Примерами являются металлокерамические композиционные материалы, которые в настоящее время используются для этих приложений. Высокое тепловое сопротивление может быть также достигнуто с многослойными системами.
Как было указано выше, тепловое пограничное сопротивление из-за рассеяния носителей на границе раздела. Тип носителя рассеянного будет зависеть от материалов, регулирующих интерфейсы. Так, например, на металл-металл, эффекты рассеяния электронов будут доминировать тепловое сопротивление краевого, поскольку электроны являются первичные теплоносителями энергии в металлах.
Два широко используемых моделей прогнозирования являются несоответствие акустической модели (АММ) и модель диффузного рассогласования (DMM). АММ предполагает геометрический совершенный интерфейс и фононной транспорт через него полностью эластичный, рассматривая фононы как волны в континууме. С другой стороны, цифровой мультиметр предполагает рассеяние на границе раздела диффузно, который является точной для интерфейсов с характерной шероховатостью при повышенных температурах.
Молекулярная динамика (МД) моделирования являются мощным инструментом для исследования межфазного теплового сопротивления. Недавние исследования показали , MD , что твердое тело-жидкость межфазное тепловое сопротивление уменьшается на наноструктурированных твердых поверхностей путем повышения энергии твердого вещества-жидкости взаимодействия на единицу площади, а также уменьшение разницы в колебательной плотности состояний между твердой и жидкой.