《現(xiàn)代物理評論》刊登同濟(jì)大學(xué)團(tuán)隊綜述文章，紀(jì)念界面熱阻發(fā)現(xiàn)200周年
? ? ? 北京時間2022年4月22日，《現(xiàn)代物理評論》(Reviews of Modern Physics)在線發(fā)表題為“Interfacial Thermal Resistance: Past, Present and Future”的長篇綜述(50頁)。作者分別是同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院/聲子學(xué)與熱能科學(xué)中心陳杰教授和徐象繁教授，南京師范大學(xué)量子輸運(yùn)和熱能科學(xué)中心周俊教授，南方科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系、物理系李保文教授。文章從理論模型和實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)展角度全面介紹了近三十年來界面熱阻領(lǐng)域的長足發(fā)展。此文也是為紀(jì)念界面熱阻發(fā)現(xiàn)200周年而作。
? ? ? ?對于諸多微納元器件，不管是電子元器件還是光電元器件，散熱問題決定了該器件的工作性能和穩(wěn)定性。高密度元器件在高速工作過程中產(chǎn)生大量熱量，如果不能及時將熱量疏導(dǎo)出去，就會導(dǎo)致元器件因局部溫度過高(即通常所說的熱點(diǎn))而導(dǎo)致性能降低甚至被燒壞。如何將過多的熱量傳導(dǎo)出去,使得元器件在相對低溫環(huán)境下運(yùn)行是現(xiàn)代半導(dǎo)體工業(yè)面臨的普遍問題。目前已知大部分電子器件均為半導(dǎo)體或金屬，其熱能的主要載體為聲子或電子，因此研究微納元器件中的散熱問題便成為聲子熱傳輸和電子熱傳輸?shù)妊芯款I(lǐng)域的關(guān)鍵物理問題。在集成電路中，熱量從元器件擴(kuò)散到封裝外殼需要通過無數(shù)個半導(dǎo)體-半導(dǎo)體、半導(dǎo)體-金屬界面。因此，器件散熱問題涉及到物理及工程學(xué)上最基本的科學(xué)問題：熱量(聲子、電子)如何通過各種界面？ 電子-聲子耦合、聲子-聲子耦合如何影響界面熱阻？
? ? ? 由于界面兩側(cè)材料組分和結(jié)構(gòu)的差異，熱載流子在穿過界面時會受到散射使得界面兩端在微納尺度下產(chǎn)生溫度跳變，由此可以定義界面熱阻。物理學(xué)家傅里葉(J. B. J. Fourier)最早于1822年發(fā)現(xiàn)了界面處的溫度跳變。他發(fā)現(xiàn)從固體表面流失到周圍氣體中的熱量與溫差有一定關(guān)系，并提出了“外導(dǎo)率”(External conducibility)的概念。之后物理學(xué)家泊松(Poisson)于1835年提出通過界面的總熱量與兩邊溫差成正比，并定義了界面熱阻。波蘭科學(xué)家斯莫魯超夫斯基(M. Smoluchowski)和前蘇聯(lián)科學(xué)家卡皮查(P. L. Kapitza)分別于1898年和1941年定量測量了固體-氣體和固體-液體的界面熱阻。
? ? ? 本文為《現(xiàn)代物理評論》上發(fā)表的第三篇關(guān)于界面熱阻的長篇綜述文章。需要指出的是，前兩篇分別發(fā)表于1969年和1989年，都集中于討論宏觀材料及宏觀界面的傳熱問題，其中普遍采用的界面熱阻理論，如AMM和DMM，都是簡單地假設(shè)聲子以彈道傳輸或者擴(kuò)散傳輸?shù)男问酵ㄟ^界面，因此兩個模型預(yù)測的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果都有數(shù)量級的偏差。同時，由于測量手段的匱乏以及實(shí)驗(yàn)難度過大，前期界面熱導(dǎo)實(shí)驗(yàn)研究工作也相對落后。隨著納米技術(shù)的發(fā)展以及納米制備工藝的完善，同時得益于現(xiàn)代大型計算機(jī)的運(yùn)用，界面熱阻研究在近三十年來取得了長足的發(fā)展。鑒于此，本文從理論模型和實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)展角度全面介紹了近三十年來該領(lǐng)域的長足發(fā)展，討論了固體-固體界面、固體-液體界面及固體-氣體界面熱阻的研究進(jìn)展及存在問題，重點(diǎn)闡述了界面及溫度的定義、界面熱阻幾何效應(yīng)、界面熱阻調(diào)控等問題，并討論了AMM、DMM及兩溫度模型的適用性。?
? ? ? 該研究工作得到了基金委重大項(xiàng)目/重點(diǎn)項(xiàng)目/面上項(xiàng)目、科技部重點(diǎn)專項(xiàng)、廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計劃和上海市科委的資助。
? ? 《現(xiàn)代物理評論》是物理領(lǐng)域最權(quán)威的綜述期刊，主要邀請物理學(xué)權(quán)威學(xué)者對領(lǐng)域進(jìn)行評述和展望。RMP創(chuàng)刊于1929年，至今以中國大陸科研機(jī)構(gòu)為第一單位的論文不超過15篇。該論文的發(fā)表表明了同濟(jì)大學(xué)團(tuán)隊在微納尺度界面?zhèn)鳠徇@一國際科技前沿領(lǐng)域的深厚積累和引領(lǐng)地位。?
? ? ? ?論文鏈接：https://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.94.025002
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