Language
Country/Area
No result found
От сверхпроводников к микроэлектронике: как ключевая роль тепловых интерфейсов повлияет на будущие технологии?
С быстрым развитием науки и техники изучение тепловых интерфейсов становится все более важным, поскольку они напрямую влияют на теплопроводность материалов, особенно в областях сверхпроводимости и микроэлектроники. Тепловое сопротивление интерфейса, также известное как тепловой граничный импеданс или импеданс Капицера, является мерой сопротивления тепловому потоку между двумя материалами. Это тепловое сопротивление существует не только в точке контакта материалов, но и на атомарно совершенных интерфейсах, поскольку физические свойства различных материалов заставляют носители энергии (такие как фононы или электроны) рассеиваться на интерфейсе.
Это граничное тепловое сопротивление приводит к ограниченной разнице температур на границе раздела при приложении постоянного теплового потока, что имеет решающее значение для терморегулирования будущих высокопроизводительных устройств.
Интерфейсное тепловое сопротивление особенно важно в наномасштабных системах, где характеристики интерфейса могут существенно влиять на производительность по сравнению с объемными материалами. Например, при разработке микроэлектронных полупроводниковых приборов ожидается, что устройство с размером элемента 8 нм будет генерировать до 100 000 Вт/см² тепловой мощности во время работы, поэтому необходимы более эффективные механизмы рассеивания тепла для обработки ожидаемых 1000 Вт/см². Вт/см². Тепловой поток. Это делает интерфейсы с низким термическим сопротивлением технологически очень важными.
С другой стороны, для приложений, требующих хорошей теплоизоляции, таких как турбины реактивных двигателей, необходимы интерфейсы с высоким термическим сопротивлением для обеспечения стабильной работы при чрезвычайно высоких температурах.
В настоящее время в этих областях применения, где требуется высокая термостойкость, используются металлокерамические композиты. Высокое тепловое сопротивление может быть достигнуто также с помощью многослойных систем. Поскольку тепловой граничный импеданс обусловлен рассеянием носителей на границе раздела, его тип зависит от материала границы раздела. Например, в интерфейсе металл-металл эффект рассеяния электронов будет доминировать над тепловым граничным сопротивлением, поскольку электроны являются основными носителями тепла в металлах.
Две наиболее часто используемые модели прогнозирования теплового граничного импеданса — это модель фононного акустического рассогласования (AMM) и модель диффузионного рассогласования (DMM). Первый вариант предполагает геометрически идеальный интерфейс и то, что перенос фононов через него является полностью упругим, тогда как второй вариант предполагает, что рассеяние на интерфейсе является диффузионным, что особенно верно для шероховатых интерфейсов при высоких температурах. Применение этих моделей может быть дополнительно изучено в моделировании молекулярной динамики (МД), что обеспечивает мощный инструмент для изучения межфазного термического сопротивления.
Недавние исследования МД показали, что тепловое сопротивление интерфейса твердое тело-жидкость на наноструктурированных твердых поверхностях можно снизить за счет повышения энергии взаимодействия твердое тело-жидкость, что открывает новое направление для исследований теплопроводности.
Исторически сложилось так, что когда в 1936 году впервые была предложена концепция импеданса теплового интерфейса, исследования жидкого гелия уже доказали существование этого явления. Однако систематическое исследование термического поведения поверхностей раздела жидкого гелия было проведено Петром Капицей лишь в 1941 году. Основной теоретической моделью в этой области является модель акустического несоответствия (AMM), однако эта модель на два порядка не может точно предсказать теплопроводность интерфейсов жидкого гелия. Что еще интереснее, поведение термического сопротивления при изменении давления практически не меняется, а это означает, что другие механизмы играют более важную роль в управлении процессом теплопередачи.
Изучение свойств теплового интерфейса материалов является ключом к будущему технологическому прогрессу, особенно в областях сверхпроводимости, микроэлектроники и передового материаловедения. По мере улучшения нашего понимания свойств этих интерфейсов могут появиться совершенно новые технологии и приложения. Но мы не можем не задаться вопросом: сможем ли мы в будущем полностью преодолеть проблему теплового сопротивления интерфейса и создать более эффективную систему терморегулирования?
