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Von Supraleitern bis zur Mikroelektronik: Welche Auswirkungen wird die Schlüsselrolle thermischer Schnittstellen auf zukünftige Technologien haben?
Mit der rasanten Entwicklung von Wissenschaft und Technologie ist die Untersuchung thermischer Grenzflächen immer wichtiger geworden, da sie sich direkt auf die Wärmeleitfähigkeitseigenschaften von Materialien auswirken, insbesondere in den Bereichen Supraleitung und Mikroelektronik. Der Wärmewiderstand der thermischen Grenzfläche, auch allgemein als thermische Grenzimpedanz oder Kapitsa-Impedanz bezeichnet, ist ein Maß für den Widerstand gegen den Wärmefluss zwischen zwei Materialien. Dieser thermische Widerstand besteht nicht nur an den Kontaktstellen von Materialien, sondern auch an atomar perfekten Grenzflächen, da die physikalischen Eigenschaften verschiedener Materialien dazu führen, dass Energieträger (wie Phononen oder Elektronen) an der Grenzfläche gestreut werden.
Dieser thermische Widerstand an der Grenzfläche führt zu einem begrenzten Temperaturunterschied an der Grenzfläche, wenn ein konstanter Wärmefluss angelegt wird, was für das Wärmemanagement zukünftiger Hochleistungsgeräte von entscheidender Bedeutung ist.
Der thermische Widerstand an der Grenzfläche ist besonders wichtig in nanoskaligen Systemen, wo die Grenzflächeneigenschaften die Leistung im Vergleich zu Massenmaterialien erheblich beeinflussen. Beispielsweise wird bei der Entwicklung mikroelektronischer Halbleiterbauelemente erwartet, dass Bauelemente mit Strukturgrößen von 8 nm während des Betriebs thermische Simulationen von bis zu 100.000 W/cm² erzeugen, was effizientere Wärmeableitungsmechanismen erfordert, um den erwarteten Wärmefluss von 1.000 W/cm² zu bewältigen . Daher sind Schnittstellen mit geringem Wärmewiderstand technologisch wichtig.
Andererseits benötigen Anwendungen, die eine gute thermische Isolierung erfordern, wie z. B. Turbinen von Strahltriebwerken, Schnittstellen mit hohem thermischen Widerstand, um einen stabilen Betrieb bei extrem hohen Temperaturen zu gewährleisten.
Derzeit werden in diesen Anwendungen mit hoher thermischer Beständigkeit Metall-Keramik-Verbundwerkstoffe eingesetzt. Auch mit Mehrschichtsystemen kann eine hohe thermische Beständigkeit erreicht werden. Da die thermische Grenzimpedanz durch die Streuung des Trägers an der Grenzfläche verursacht wird, hängt ihr Typ vom Material der Grenzfläche ab. Beispielsweise wird in einer Metall-Metall-Grenzfläche der Streueffekt der Elektronen die thermische Grenzimpedanz dominieren, da Elektronen die dominierenden Wärmeträger in Metallen sind.
Zwei häufig verwendete Vorhersagemodelle für die thermische Grenzimpedanz sind das Phonon Acoustic Mismatch Model (AMM) und das Diffusion Mismatch Model (DMM). Ersteres geht von einer geometrisch perfekten Grenzfläche aus, zwischen der die Phononenübertragung vollkommen elastisch ist, während letzteres davon ausgeht, dass die Streuung an der Grenzfläche diffusiv ist, was besonders für raue Grenzflächen bei hohen Temperaturen gilt. Die Anwendung dieser Modelle kann in Molekulardynamiksimulationen (MD) weiter untersucht werden und stellt ein leistungsstarkes Werkzeug zur Untersuchung des thermischen Widerstands von Grenzflächen dar.
Neueste MD-Studien haben gezeigt, dass auf nanostrukturierten Festkörperoberflächen der Wärmewiderstand an der Fest-Flüssigkeits-Grenzfläche durch Erhöhung der Fest-Flüssigkeits-Wechselwirkungsenergie verringert werden kann, was eine neue Richtung für die Wärmeleitungsforschung eröffnet.
Aus historischer Sicht hatte die Forschung an flüssigem Helium die Existenz dieses Phänomens bewiesen, als das Konzept der thermischen Grenzflächenimpedanz erstmals im Jahr 1936 vorgeschlagen wurde. Es dauerte jedoch bis 1941, bis Pjotr Kapitsa eine systematische Untersuchung des thermischen Verhaltens der Grenzfläche zu flüssigem Helium durchführte. Das wichtigste theoretische Modell in diesem Bereich ist das Acoustic Mismatch Model (AMM), aber dieses Modell versagt bei der Vorhersage der Wärmeleitfähigkeit an der Grenzfläche von flüssigem Helium um bis zu zwei Größenordnungen. Interessanter ist, dass das Verhalten des Wärmewiderstands bei Druckänderungen nahezu unbeeinflusst bleibt, was bedeutet, dass andere Mechanismen eine wichtigere Rolle im Prozess der dominanten Wärmeleitung spielen.
Die Erforschung der thermischen Grenzflächeneigenschaften von Materialien ist der Schlüssel für den zukünftigen wissenschaftlichen und technologischen Fortschritt, insbesondere in den Bereichen Supraleitung, Mikroelektronik und modernste Materialwissenschaft. Wenn sich unser Verständnis der Eigenschaften dieser Schnittstellen verbessert, können völlig neue Technologien und Anwendungen entstehen. Aber wir kommen nicht umhin zu fragen: Können wir die Herausforderung des thermischen Grenzflächenwiderstands vollständig bewältigen und in Zukunft ein effizienteres Wärmemanagementsystem erreichen?
