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Il segreto della resistenza termica al contorno: perché l'interfaccia tra i materiali influenza il trasferimento di calore?
La resistenza termica al contorno, o resistenza alla generazione di calore, è la misura della resistenza al flusso di calore tra le interfacce di due materiali. Questo termine è spesso utilizzato in modo intercambiabile con "resistenza Kabiza", ma il primo comprende più ampiamente il concetto di resistenza termica al contorno. All'interfaccia tra materiali diversi, a causa delle differenze nelle proprietà elettroniche e vibrazionali, quando i portatori di energia (come fononi o elettroni, a seconda del materiale) cercano di attraversare questa interfaccia, si verifica una dispersione all'interfaccia. Ciò determina una certa resistenza termica all'interfaccia, che a sua volta determina una significativa discontinuità della temperatura all'interfaccia quando viene applicato un flusso di calore costante.
Comprendere la resistenza termica alle interfacce tra i materiali è fondamentale per lo studio delle proprietà termiche.
La resistenza termica al contorno svolge un ruolo fondamentale non solo nello sviluppo di dispositivi microelettronici, ma ha anche un impatto significativo nei sistemi su scala nanometrica, in cui le interfacce possono influenzare notevolmente le proprietà rispetto ai materiali sfusi. Per le applicazioni che richiedono un'efficace dissipazione del calore, come i dispositivi microelettronici a semiconduttore, è urgente utilizzare interfacce con bassa resistenza termica a causa dell'elevatissima generazione di calore. Secondo l'International Technology Roadmap for Semiconductors, si prevede che i dispositivi con dimensioni delle caratteristiche di 8 nm genereranno fino a 100.000 W/cm² di calore e la dissipazione del calore effettiva richiesta potrebbe arrivare fino a 1000 W/cm², ovvero un ordine di grandezza superiore. rispetto ai dispositivi attuali.
Al contrario, per le applicazioni che richiedono un buon isolamento termico, come le turbine dei motori a reazione, è richiesta un'interfaccia con elevata resistenza termica. Questi materiali di interfaccia devono rimanere stabili anche a temperature molto elevate; i compositi metallo-ceramici sono un tipico esempio di tale applicazione. Inoltre, i sistemi multistrato possono anche raggiungere un'elevata resistenza termica, contribuendo ad ampliare il potenziale applicativo.
L'esistenza della resistenza termica al contorno è dovuta alla dispersione dei portatori all'interfaccia e il tipo di questa dispersione dipende dalle proprietà del materiale.
Alle interfacce metallo-metallo, l'effetto di dispersione degli elettroni domina la resistenza termica del confine perché gli elettroni sono i principali trasportatori di energia termica nei metalli. Esistono anche due modelli di previsione ampiamente utilizzati, vale a dire il modello di disadattamento acustico (AMM) e il modello di disadattamento di diffusione (DMM). Il modello AMM presuppone che l'interfaccia sia geometricamente perfetta e che la diffusione dei fononi attraverso di essa sia puramente elastica, mentre il DMM presuppone che la diffusione all'interfaccia sia diffusiva, il che è vero per interfacce ruvide ad alte temperature.
La simulazione della dinamica molecolare (MD) è uno strumento potente per studiare la resistenza termica interfacciale. Le ultime ricerche MD mostrano che la resistenza termica dell'interfaccia solido-liquido è ridotta sulla superficie solida nanostrutturata, il che è dovuto all'aumento dell'energia di interazione solido-liquido per unità di area e alla riduzione dell'interfaccia solido-liquido. differenza di densità dello stato di vibrazione.
Modello teorico
Il modello principale per la resistenza termica al contorno è il modello del gas fononico, che include l'AMM e il DMM sopra menzionati. Questi modelli presuppongono che l'interfaccia si comporti esattamente come il materiale sfuso su entrambi i lati, ma ignorano completamente la complessità delle modalità vibrazionali miste e delle interazioni fononiche. L'energia viene trasferita dai fononi ad alta energia nel materiale più caldo al materiale più freddo. Sia il modello di disadattamento acustico che il modello di disadattamento di diffusione non tengono conto dello scattering anelastico e delle interazioni multi-fonone.
Secondo i modelli di disadattamento acustico e di disadattamento di diffusione, un fattore chiave per determinare la resistenza termica è la sovrapposizione degli stati fononici.
Questi modelli forniscono limiti superiori e inferiori per alcuni aspetti della discussione, ma la loro efficacia nel prevedere materiali specifici è limitata. I modelli AMM e DMM presentano differenze fondamentali nel trattamento dello scattering dell'interfaccia. Il primo presuppone che non vi sia scattering all'interfaccia, mentre il secondo presuppone uno scattering completo, che influisce direttamente sulla probabilità di trasmissione del fonone all'interfaccia.
Analisi del caso
Interfaccia dell'elio liquido
Il concetto di resistenza all'interfaccia termica fu proposto per la prima volta nel 1936 nello studio dell'elio liquido e nel 1941 Peter Kabiza condusse uno studio sistematico del comportamento dell'interfaccia termica dell'elio liquido. Il modello di disadattamento acustico prevede una dipendenza dalla temperatura pari a T−3, ma in realtà non cattura accuratamente la conduttività termica dell'interfaccia dell'elio liquido.
La conduttività termica anormalmente bassa delle interfacce dell'elio liquido è dovuta a una serie di meccanismi che promuovono il trasporto dei fononi.
Conduttività termica a temperatura ambiente
In generale, nei materiali si trovano due tipi di trasportatori di calore: fononi ed elettroni. Il gas di elettroni liberi nei metalli conduce il calore in modo molto efficiente, mentre la conduzione del calore in tutti i materiali avviene tramite fononi. La conduttività termica a temperatura ambiente più bassa misurata finora è di 8,5 MW m−2 K−1 nel diamante Bi/H-terminato, e questa misurazione suggerisce che, a causa delle proprietà intrinseche dei materiali, essi sono sensibili ai fononi e agli elettroni. L'accoppiamento la capacità è estremamente bassa.
Resistenza di interfaccia dei nanotubi di carbonio
L'eccellente conduttività termica dei nanotubi di carbonio li rende candidati ideali per la realizzazione di materiali compositi, ma la resistenza dell'interfaccia ne influenza l'effettiva conduttività termica. Questo ambito è poco studiato e i pochi studi condotti hanno rivelato i meccanismi alla base di questa resistenza.
Possiamo osservare che la resistenza termica al contorno è un fenomeno dinamico dell'interfaccia microscopica, che ha un profondo impatto sulla conduttività termica dei materiali. In che modo la progettazione dei materiali futuri influenzerà la tecnologia di gestione termica nella nostra vita quotidiana?
