In applicazioni che vanno dal raffreddamento microelettronica alla protezione termica aerospaziale, la capacità di prevedere e controllare il trasporto termico determina le prestazioni del dispositivo, l'affidabilità e la sicurezza. Per molti materiali, la conducibilità termica è una proprietà scalare ben definita. Tuttavia, in una vasta classe di materiali, soprattutto quelli con strutture a cristalli strati, la conducibilità termica non è un singolo numero ma una direzione variata profondamente.

I materiali strati, come la grafite, il boro esagonale (h-BN), e la dichalcogenide dei metalli di transizione (TMD), sono caratterizzati da forti legami covalenti all'interno di piani atomici e da deboli interazioni van der Waals tra piani.

Fondamenti della conducibilità termica in solidi

[LT] [LT]] [[FLT]]] [[FLT]]]] [[FLT]]]]] [[FLT:]]]] [[FLT:]]] [[[FLT]]]]]]] [[[[FLT]]]]]]]] [[[[[FLT]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[FLT]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]

Trasporto di Phonon

[f][f]] [[f]]] [[[f]]]] [[[f]]]]] [[[[[[f]]]]]]]] [[[[[[[[f]]]]]]]]][[[[[[[[[]]]]]]]]]]]]]]][[[[[[f]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]

Contributo elettrone

In metalli e semiconduttori fortemente doppi, gli elettroni liberi trasportano sia carica che calore. La conducibilità termica elettronica è collegata alla conducibilità elettrica dalla legge Wiedemann-Franz: ke = LσT], dove L Lorenz è la radice

Anisotropia: Dipendenza direzionale

[LT] [[L]] [F]] [[L]]] [L'incollaggio e la spaziatura atomica differiscono lungo gli assi cristallici.

Origine nella struttura di cristallo

Nei materiali strati, gli atomi all'interno di ogni strato sono legati in modo covalente o ionico-forte legami che forniscono dinamiche di reticolo rigide. Questi forti legami portano ad alte velocità di gruppo fononico e a lunghi percorsi liberi media lungo il piano. Tra strati, il legame è debole (forze di valori, o in alcuni casi interazioni elettrostatiche) Questo debole accoppiamento interstrato porta a basse velocità di fono e ad alti tassi di dispersione di interplano.

Conduttività in-Plane vs Cross-Plane

Il rapporto k][ / k]][ (o il suo reciproco) quantfica il grado di anisotropia.

  • Graphite[]: ]]] ][] ≈ 2000 W/m·K, ]]k[]]]]]] [[[[[FLT]]]]]]]]]]] [[[[[[[FLT]]]]]]]]]]]]]]]]] [[[[[[[[[FLT]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[[[[FLT]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[[[[[[[[[[[[[FLT]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[[
  • Hexagonal boron nitride[]] []]] ] ≈ 400 W/m·K, ]]] ][FLT]][F:9]
  • Molybdenum disulfide (MoS]2]] ]] ]k]]] ≈ 100 W/m·K, ]

Questi valori sono approssimativi e dipendono dalla qualità, dalla temperatura e dalle dimensioni del campione del cristallo. L'elevata conducibilità dell'aereo rende i materiali strati attratti per la diffusione del calore in seguito, mentre la bassa conducibilità del piano trasversale può essere sfruttata per l'isolamento termico o per il flusso di calore diretto.

Materiali strati e loro comportamento anisotropico

Grafite e Grafene

In ogni foglio di grafite, gli atomi di carbonio sono sp2-ibridizzati e formano un reticolo di nido con una temperatura σ-bond estremamente forte. Questi legami danno origine ad una conducibilità termica a livello atomico ad alta intensità in piano che rivali con quella del diamante.

Nitro di boro esagonale

h-BN è isostrutturale a grafite ma consiste in atomi di boro e azoto alternati. Sebbene la sua conducibilità termica in-plano (~400 W/m·K) sia inferiore a quella della grafite, h-BN è isolante elettricamente, rendendolo prezioso per applicazioni che richiedono dissipazione del calore senza conduzione elettrica.

Dichalcogenides in metallo di transizione (TMD)

I materiali come MoS2, WS2], e WSe2] hanno una struttura a strati con ogni strato che comprende un atomo metallico di transizione tra due atomi di chalcogen.

Impatto sulla gestione termica

In molti scenari di gestione termica, gli ingegneri vogliono riscaldare lungo percorsi specifici. Ad esempio, in un lavandino di calore, il calore dovrebbe scorrere efficacemente dalla sorgente calda alle pinne di raffreddamento (in piano) ma non necessariamente si diffonde nel substrato (cross-plane).

Raffreddamento elettronico

I chip ad alta potenza, come le CPU e gli amplificatori di potenza, richiedono una diffusione efficiente del calore per evitare macchie calde. I materiali strati strati di strati strati come fogli di grafite e film di grafine sono utilizzati come diffusori di calore]] posizionati direttamente sul chip. La loro elevata conducibilità in piano diffonde rapidamente il calore lateralmente, riducendo al minimo la temperatura di picco.

Materiali termoelettrici

I dispositivi termoelettrici convertono il calore in elettricità (e viceversa) e richiedono materiali con elevata conducibilità elettrica ma bassa conducibilità termica per mantenere un gradiente di temperatura. I materiali strati anisotropici offrono un percorso per decouplare queste proprietà. Con il raggiungimento di alta conducibilità elettrica in-plano (spesso tramite doping) mantenendo bassa conducibilità termica a croce, tali materiali possono migliorare la figura termoelettrica del merito ([2FLT:0]

Materiali di interfaccia termica (TIMs)

I materiali di interfaccia termica riempiono il divario tra una sorgente di calore e un dissipatore di calore. Idealmente, un TIM dovrebbe avere alta conducibilità termica a croce per trasferire il calore attraverso l'interfaccia. Tuttavia, molti TIM tradizionali (grandi, pad) soffrono di bassa conducibilità.

Tecniche di misura per la conducibilità termica anisotropica

La misurazione della conducibilità termica nei materiali anisotropici richiede tecniche che possono risolvere componenti direzionali. I metodi standard per campioni isotropici (ad esempio, il metodo flash laser per materiali di massa) devono essere adattati o sostituiti da approcci più sofisticati.

Termoriflessione del Dominio (TDTR)

TDTR è una tecnica ottica a pompa che può misurare la conducibilità termica in film sottili e lungo diverse direzioni. Un laser pulsato riscalda uno strato di trasduttore metallico sulla superficie del campione, e una sonda laser misura il decadimento della temperatura con risoluzione di picosecondo.

Metodo 3ω

Il metodo 3ω utilizza una linea metallica depositata sul campione sia a temperatura di calore che di senso. Applicando una corrente alternata a frequenza ω e misurando la terza tensione armonica, si può determinare la conducibilità termica del substrato. Per campioni anisotropici, configurazioni multiple (ad esempio, larghezze di linea diverse, orientamenti) consentono l'estrazione di conducibilità direzionale.

Analisi del Flash Laser (LFA)

LFA è una tecnica standard per la misurazione della diffusione termica dei materiali di rinfusa. Per i campioni anisotropici, il campione deve essere tagliato e orientato in modo che il flusso termico sia lungo la direzione desiderata. In alternativa, un impianto LFA modificato con un punto laser concentrato può misurare la diffusione laterale. Combinando LFA con altre tecniche come la termografia a infrarossi consente la mappatura delle proprietà termiche in-plane e cross-plane.

Strategie di ingegneria per levare Anisotropy

I progettisti hanno diversi strumenti per sfruttare l'anisotropia termica in dispositivi pratici:

  • Controllo di Orientamento di livello[[]: L'approccio più diretto è quello di allineare gli strati nella direzione del flusso di calore desiderato. Nei compositi polimerici con riempitivi a fiocco, i campi magnetici o elettrici possono orientare i fiocchi durante la polimerizzazione.
  • Design composito[]: La miscelazione di due materiali anisotropici può creare un composito con conducibilità anisotropica su misura. Ad esempio, la miscelazione di grafite e h-BN in una matrice polimerica produce percolazione elettrica solo in piano (se la grafite è allineata) mantenendo l'isolamento elettrico cross-plane.
  • Nanostructuring[[]: L'introduzione di interfacce o difetti può ridurre selettivamente la conducibilità termica. Ad esempio, nelle superlattice termoelettriche, le interfacce di periodo disperdono i fononi più degli elettroni, riducendo la conducibilità a croce mentre conservano il trasporto elettrico aeroplano.
  • Anisotropia rasata[[[]: Variando l'allineamento o la composizione attraverso lo spessore, si può creare un materiale che ha alta conducibilità in piano vicino alla superficie e bassa conducibilità cross-plane più profondo.

Sfide e direzioni future

Nonostante la promessa di materiali anisotropici, rimangono diverse sfide. Il controllo dell'allineamento a scala è difficile – i grani o i filler orientati a misura riducono l'anotropia efficace. La resistenza termica interfacciale] tra i livelli può limitare le prestazioni generali, soprattutto nei compositi e nei film sottili.

] la ricerca futura si concentra su materiali stratificati con estrema anisotropia. Esempi includono fosforo nero (phosphorene), che mostra forte anisotropia in piano stesso (diverso lungo zigzag e direzioni poltrona).

Un'altra frontiera è lo sviluppo di sistemi di gestione termica dinamica[] che possono passare tra stati ad alta e bassa conducibilità. I materiali stratificato con accoppiamento interstrato (ad esempio, tramite intercalazione elettrochimica o di tensione) potrebbero consentire l'interruttore attivo del calore, un concetto a volte chiamato "trasmettitore termico".

Conclusioni

L'anisotropia non è solo una proprietà curiosa di alcuni cristalli, è una potente leva per il controllo del flusso di calore in materiali avanzati. I materiali strati, dalla grafite alla transizione di dichalcogenides metallo, espongono alcuni dei più grandi rapporti di conducibilità termica noti tra le direzioni in-plane e cross-plane. Questa dipendenza direzionale è radicata nelle loro strutture cristalline uniche, dove forti legami intrastratori coesiste con forze interstratori deboli.

La domanda di sistemi termici compatti e ad alte prestazioni e ad alta efficienza energetica cresce, la comprensione e lo sfruttamento dell'anisotropia diventa sempre più critica. I materiali rivisitati qui, insieme ai composti a strati emergenti, offrono un versatile kit di strumenti per la gestione termica.

Per ulteriori informazioni, vedere le recensioni complete su conducibilità termica anisotropy [[] in materiali strati[] e applicazioni pratiche [ nella gestione termica].