Language
Country/Area
No result found
Rahasia Resistansi Batas Termal: Mengapa permukaan kontak material memengaruhi konduksi panas?
Resistansi batas termal, atau resistansi pembangkitan panas, adalah ukuran resistansi terhadap aliran panas antara antarmuka dua material. Istilah ini sering digunakan secara bergantian dengan hambatan Kabiza, tetapi yang pertama secara lebih luas mencakup konsep resistansi batas termal. Pada antarmuka antara berbagai material, karena perbedaan sifat elektronik dan getaran, ketika pembawa energi (seperti fonon atau elektron, tergantung pada materialnya) mencoba melintasi antarmuka ini, hamburan terjadi pada antarmuka. Hal ini menghasilkan sejumlah resistansi termal pada antarmuka, yang pada gilirannya menyebabkan diskontinuitas suhu yang signifikan pada antarmuka ketika fluks panas konstan diterapkan.
Memahami resistansi termal pada antarmuka antara material sangat penting untuk mempelajari sifat termal.
Resistansi batas termal memainkan peran penting tidak hanya dalam pengembangan perangkat mikroelektronik, tetapi juga memiliki dampak yang signifikan dalam sistem skala nano di mana antarmuka dapat sangat memengaruhi sifat dibandingkan dengan material massal. Untuk aplikasi yang memerlukan pembuangan panas yang efektif, seperti perangkat semikonduktor mikroelektronik, mereka sangat membutuhkan antarmuka dengan resistansi termal rendah karena pembangkitan panas yang sangat tinggi. Menurut Peta Jalan Teknologi Internasional untuk Semikonduktor, perangkat dengan ukuran fitur 8nm diharapkan menghasilkan panas hingga 100.000 W/cm², dan pembuangan panas efektif yang diperlukan mungkin setinggi 1000 W/cm², yang merupakan orde besaran lebih tinggi daripada perangkat saat ini.
Sebaliknya, untuk aplikasi yang memerlukan isolasi termal yang baik, seperti turbin mesin jet, diperlukan antarmuka dengan resistansi termal yang tinggi. Bahan antarmuka ini harus tetap stabil pada suhu yang sangat tinggi; komposit logam-keramik adalah contoh khas dari aplikasi semacam itu. Selain itu, sistem multilapis juga dapat mencapai resistansi termal yang tinggi, membantu memperluas potensi aplikasi.
Adanya resistansi batas termal disebabkan oleh hamburan pembawa pada antarmuka, dan jenis hamburan ini bergantung pada sifat material.
Pada antarmuka logam-logam, efek hamburan elektron mendominasi resistansi batas termal karena elektron merupakan pembawa energi termal utama dalam logam. Ada juga dua model prediksi yang banyak digunakan, yaitu model ketidakcocokan akustik (AMM) dan model ketidakcocokan difusi (DMM). Model AMM mengasumsikan bahwa antarmuka secara geometris sempurna dan hamburan fonon melaluinya murni elastis, sedangkan DMM mengasumsikan bahwa hamburan pada antarmuka bersifat difusif, yang berlaku untuk antarmuka kasar pada suhu tinggi.
Simulasi dinamika molekul (MD) merupakan alat yang ampuh untuk mempelajari resistansi termal antarmuka. Penelitian MD terbaru menunjukkan bahwa resistansi termalresistensi antarmuka padat-cair berkurang pada permukaan padat berstruktur nano, yang disebabkan oleh peningkatan energi interaksi padat-cair per satuan luas dan pengurangan antarmuka padat-cair. Perbedaan kerapatan keadaan getaran.
Model Teoritis
Model utama untuk resistansi batas termal adalah model gas fonon, yang mencakup AMM dan DMM yang disebutkan di atas. Model-model ini mengasumsikan bahwa antarmuka berperilaku seperti material massal di kedua sisi, tetapi mereka sepenuhnya mengabaikan kompleksitas mode getaran campuran dan interaksi fonon. Energi ditransfer dari fonon berenergi tinggi dalam material yang lebih panas ke material yang lebih dingin. Baik model ketidakcocokan akustik maupun model ketidakcocokan difusi tidak memperhitungkan hamburan inelastis dan interaksi multifonon.
Menurut model ketidakcocokan akustik dan ketidakcocokan difusi, faktor kunci dalam menentukan resistansi termal adalah tumpang tindih keadaan fonon.
Model-model ini memberikan batasan atas dan bawah untuk beberapa aspek pembahasan, tetapi efektivitasnya dalam memprediksi material tertentu terbatas. Model AMM dan DMM memiliki perbedaan mendasar dalam penanganan hamburan antarmuka. Model AMM mengasumsikan bahwa tidak ada hamburan di antarmuka sementara model DMM mengasumsikan hamburan lengkap, yang secara langsung memengaruhi probabilitas transmisi fonon di antarmuka.
Analisis Kasus
Antarmuka Helium Cair
Konsep resistansi di antarmuka termal pertama kali diusulkan pada tahun 1936 dalam studi helium cair, dan pada tahun 1941, Peter Kabiza melakukan studi sistematis tentang perilaku antarmuka termal helium cair. Model ketidakcocokan akustik memprediksi ketergantungan suhu T−3, tetapi pada kenyataannya model tersebut tidak secara akurat menangkap konduktivitas termal antarmuka helium cair.
Konduktivitas termal yang sangat rendah pada antarmuka helium cair disebabkan oleh berbagai mekanisme yang mendorong pengangkutan fonon.
Konduktivitas termal pada suhu kamar
Secara umum, ada dua jenis pembawa panas dalam material: fonon dan elektron. Gas elektron bebas dalam logam menghantarkan panas dengan sangat efisien, sementara konduksi panas dalam semua material terjadi melalui fonon. Konduktivitas termal suhu kamar terendah yang terukur hingga saat ini adalah 8,5 MW m−2 K−1 pada berlian berujung Bi/H, dan pengukuran ini menunjukkan bahwa karena sifat intrinsik material, material tersebut sensitif terhadap fonon dan elektron. Kemampuan penggandengannya sangat rendah.
Resistensi antarmuka nanotube karbon
Konduktivitas termal nanotube karbon yang luar biasa menjadikannya kandidat ideal untuk membuat material komposit, tetapi resistensi antarmuka memengaruhi konduktivitas termal efektifnya. Bidang ini kurang diteliti, dan beberapa penelitian yang telah dilakukan belum
