Warmte-stroommodellering op nanoschaal onderzocht via twee theoretische modellen

Elektronische apparaten koelen houden is belangrijk bij het overwegen van zowel hun functie als duurzaamheid, omdat temperatuur de materiaaleigenschappen en de energiestroom beïnvloedt. De temperatuur van “hotspots” die kan worden gedetecteerd, beïnvloedt de prestaties van verschillende technologieën, van smartphones tot elektrische voertuigen. De mogelijkheid voor apparaten om met snellere snelheden te werken, is de afgelopen jaren vastgelopen omdat het toevoegen van meer kracht aan hen heeft geresulteerd in oververhitting.

Bij het onderzoeken van warmtetransport op nanoschaalniveau, ontstaan ​​uitdagingen door warmte die zich fundamenteel anders gedraagt ​​op kleine schalen en de ontoereikendheid van traditionele warmtestroommodellen om het gedrag te voorspellen. Een van de uitdagingen komt voort uit de moeilijkheid om te voorspellen of te meten hoe trillingsergie op deze schalen in drie dimensies beweegt.

Twee concurrerende theorieën proberen dit gedrag uit te leggen: ballistische stroom en hydrodynamische stroom. In de ballistische theorie gedraagt ​​warmte zich op dezelfde manier als licht, waarbij warmtevoorziende deeltjes (fononen) onregelmatig stuiteren. In de hydrodynamische theorie wordt warmte meer behandeld als een stromende vloeistof en bewegen fononen op een gezamenlijke manier.

Een onderzoeksteam van de Universiteit van Colorado, Utah State University en Carnegie Mellon University, met de betrokkenheid van Albert Beardo, docent van het UAB-ministerie van Physics, onderzocht deze twee theorieën en vergeleken computationele voorspellingen met real-world experimenten.

Hoewel de twee modellen in hun aard tegenstrijdig zijn, is de onderzoeksanalyse onlangs gepubliceerd in NPJ Computational Materials Voorstanders van een combinatie van de theorieën om de warmtestroom in nanoschaalsystemen beter te begrijpen.

“Om snellere en duurzamere technologieën op te bouwen, moeten we een betere manier ontwikkelen om thermisch management te benaderen”, zegt Ismaila Dabo, onderzoeker aan de Carnegie Mellon University en coördinator van de studie.

Volgens UAB -docent Beardo, eerste auteur van het artikel: “Er is behoefte aan eenvoudige modellen die zich richten op het vastleggen van de belangrijkste fysieke fenomenen die thermische ontspanning beperken, in plaats van te streven naar computationeel hardnekkige modellen die de mechanische evolutie van systemen in volledige details beschrijven.”

In toekomstige studies over hoe deze modellen het beste kunnen worden opgenomen, kunnen vergelijkingen van de twee frameworks door simulaties die rekening houden met de interactie tussen elektronen en fonons van cruciaal belang zijn om betere theorieën te creëren. Het onderzoek benadrukt “de noodzaak om experimentele thermische meettechnieken te ontwikkelen die de warmtestroom direct in complexe driedimensionale geometrieën kunnen in kaart brengen met ruimtelijke resolutie van nanometer en picoseconde temporele resolutie.”