來源 | Materials Today Physics

01背景介紹

隨著科技的飛速發(fā)展，電子器件逐漸朝著微型化、集成化的方向發(fā)展，因此給電子器件帶來了高的功率密度，高功率密度導(dǎo)致了器件發(fā)熱嚴(yán)重，如果不采取有效的手段可能會(huì)導(dǎo)致熱失控的發(fā)生。因此熱管理材料以及技術(shù)逐漸開始成為人們重點(diǎn)關(guān)注的方向。

熱管理就是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換的過程，因此固體材料之間的界面的熱傳遞引起了人們的極大興趣。納米結(jié)構(gòu)器件的普及，界面熱傳輸現(xiàn)象中逐漸占據(jù)更重要的作用。然而，由于復(fù)雜的物理性質(zhì)和微觀效應(yīng)，從原子尺度到微觀尺度的探究對界面熱運(yùn)輸?shù)脑砣匀恢跎佟?/p>

隨著界面密度的增加，熱運(yùn)輸不僅取決于材料本身的特性，還取決于熱界面的條件。在這些情況下，由熱界面引起的熱阻可能大于材料本身的熱阻，并在熱傳遞中起關(guān)鍵作用。但是，由于熱界面周圍的復(fù)雜性，如原子結(jié)構(gòu)不匹配，熱載體之間的相互作用等，更好地理解界面阻力仍然是最近研究工作的中心。

近年來，在界面熱輸運(yùn)理論和模擬方面取得了許多進(jìn)展，主要集中在原子尺度上的界面散射。傳統(tǒng)的聲學(xué)失配模型(AMM)和擴(kuò)散失配模型( DMM)基于兩種組成材料的性質(zhì)來預(yù)測界面聲子散射，沒有考慮局部原子結(jié)構(gòu)和鍵合強(qiáng)度對界面熱輸運(yùn)的影響，存在一定的缺陷。

近期新的模擬手段，例如原子格林函數(shù)(AGF)和分子動(dòng)力學(xué)(MD)模擬，克服了這些缺點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于各種類型的界面。雖然這些MD和AGF在原子尺度上對界面聲子輸運(yùn)的詳細(xì)機(jī)制的理解有了顯著的進(jìn)步，但是它們對模擬更小尺度上的能力有限，例如距離界面幾微米范圍內(nèi)的聲子-界面和聲子-聲子散射的聯(lián)合效應(yīng)。因此揭示微觀尺度上聲子-界面和聲子-聲子散射的復(fù)雜相互作用是非常重要的。

02成果掠影

近期，美國匹茲堡大學(xué)Sangyeop Lee教授團(tuán)隊(duì)研究了硅鍺界面聲子-界面散射和硅鍺引線聲子-聲子散射對界面總熱阻的綜合影響。

利用動(dòng)力學(xué)蒙特卡羅(MC)技術(shù)求解了半無限長Si和Ge引線界面上聲子輸運(yùn)的穩(wěn)態(tài)Peerls - Boltzmann輸運(yùn)方程。此外，該團(tuán)隊(duì)計(jì)算了聲子-聲子散射產(chǎn)生的局部熵，并定量分析了非平衡聲子在界面附近散射產(chǎn)生的熱阻。通過使用Peerls - Boltzmann輸運(yùn)方程表明，非平衡聲子在Si-Ge界面附近的聲子-聲子散射產(chǎn)生的阻力遠(yuǎn)大于界面散射直接引起的阻力。

根據(jù)玻爾茲曼H定理，聲子非平衡分布導(dǎo)致了聲子散射時(shí)產(chǎn)生顯著的熵和熱阻。用聲子色散、態(tài)密度和群速度的不匹配解釋了鍺中非平衡聲子的物理起源，為預(yù)測非平衡聲子對界面熱阻的影響提供指導(dǎo)。該團(tuán)隊(duì)的工作清楚地表明，除了先前研究的原子尺度外，界面熱輸運(yùn)還需要在微觀尺度上理解。該研究彌補(bǔ)了原子尺度和微觀尺度現(xiàn)象之間的差距，提供了對整體界面熱運(yùn)輸和聲子-聲子散射的重要作用的全面理解。

研究成果以“Thermal resistance from non-equilibrium phonons at Si–Ge interface ”為題發(fā)表于《Materials Today Physics》。

03圖文導(dǎo)讀

圖1.由兩根半無限引線(黑色虛線)和有限大小的計(jì)算域(黑色實(shí)線)共享的硅鍺界面(黑色虛線)示意圖。

圖2.300 K時(shí)PBE的MC模擬研究了Si-Ge界面的界面熱輸運(yùn)。

圖3.300 K時(shí)界面電阻的擊穿顯示了來自Ge側(cè)非平衡聲子的顯著熱阻，并與先前研究的界面電阻進(jìn)行了比較。

圖4.界面熱阻隨溫度的變化示意圖。

圖5.(a) T = 300 K和(b) T = 600 K時(shí)，聲子頻率低于Ge聲子最大頻率和聲子頻率高于Ge聲子最大頻率時(shí)Si中的偏熱流密度。

圖6.PBE模擬的虛擬Si和Ge界面的界面熱傳輸:(a) - (c) Si-Ge界面和(d) - (f) Si-Ge界面。(a、d)、(b、e)和(c、f)分別為非平衡聲子的偏離溫度、熱通量的不對稱性和局部電阻率。

圖7.300 K時(shí)Si - Ge界面熱阻分解圖。

圖8.非平衡聲子的局部偏溫、熱通量不對稱和局部電阻率分布。

圖9.硅鍺界面中three-phonon散射對Rneq的影響。

審核編輯：湯梓紅