界面熱阻
界面熱阻(英語:interfacial thermal resistance),又稱為邊界熱阻(thermal boundary resistance)或卡皮察熱阻(Kapitza resistance),是衡量兩種材料界面處熱流阻力的物理量。一般而言這幾個名稱可以互換使用,但嚴格來說,卡皮察熱阻指的是原子級完美平坦的界面,而邊界熱阻則是一個更廣泛的術語。[1]界面熱阻與接觸熱阻的不同之處在於,即使是在原子級完美的界面上也會存在界面熱阻。由於不同材料的電子和振動特性不同,當能量載流子(聲子或電子)穿過界面時,會在界面處發生散射。散射後的傳輸概率將取決於界面兩側的可用能態。
假設在界面上施加恆定的熱通量,界面熱阻會導致界面處出現有限幅度的溫度不連續。通過傅立葉定律可以得到
其中是施加的熱通量,是觀測到的溫度差,是邊界熱阻,則是其倒數(即邊界熱導率)。
理解兩種材料界面處的熱阻對於研究其熱特性具有重要意義。界面通常對材料的整體熱特性有顯著影響。這一點對於納米級系統來說尤為關鍵,因為界面對材料性質的影響可能遠大於體塊材料。
對於需要高效散熱的應用而言,界面處的低熱阻非常重要。根據2004年國際半導體技術路線圖,具有8納米特徵尺度的微電子半導體器會產生高達 100000 W/cm2 的熱量,需要高效散熱以應對1000 W/cm2的芯片級熱通量,這一數值比當前器件高出一個數量級。[2]另一方面,需要良好熱隔離的應用(例如渦輪噴氣發動機)則受益於高熱阻的界面。這種情況還需要在極高溫度下仍然穩定的材料界面,例如金屬陶瓷複合材料。此外,多層系統也可以實現高熱阻。
如上所述,邊界熱阻是由於界面處的載流子散射造成的。散射載流子的類型取決於界面材料的特性。例如,電子散射效應會主導金屬-金屬界面的熱阻,因為電子是金屬中的主要熱能載流子。
聲學失配模型(acoutic mismatch model,簡稱AMM)與漫散射失配模型(diffuse mismatch model,簡稱DMM)是兩種廣泛使用的界面熱阻預測模型。 聲學失配模型假設界面是完全光滑的,並且聲子通過界面的傳輸是完全彈性的,將聲子視為連續介質中的波。而漫散射失配模型則假設界面處會出現漫散射,尤其適用於高溫下具有特徵粗糙度的界面。
參考資料
- ^ Giri, A.; Hopkins, P.E. A Review of Experimental and Computational Advances in Thermal Boundary Conductance and Nanoscale Thermal Transport across Solid Interfaces. Advanced Functional Materials. 2020, 30 (8): 1903857. S2CID 202037103. doi:10.1002/adfm.201903857.
- ^ Hu, Ming; Keblinski, Pawel; Wang, Jian-Sheng; Raravikar, Nachiket. Interfacial thermal conductance between silicon and a vertical carbon nanotube. Journal of Applied Physics. 2008, 104 (8): 083503–083503–4. Bibcode:2008JAP...104h3503H. doi:10.1063/1.3000441.
- ^ Hu, Han; Sun, Ying. Effect of nanopatterns on Kapitza resistance at a water-gold interface during boiling: A molecular dynamics study. Journal of Applied Physics (AIP Publishing). 2012, 112 (5): 053508–053508–6. Bibcode:2012JAP...112e3508H. doi:10.1063/1.4749393.