Влияние анизотропии на теплопроводность в слоистых материалах

Понимание того, как тепло перемещается через материалы, является краеугольным камнем современной науки и техники. В приложениях, начиная от микроэлектронного охлаждения до аэрокосмической тепловой защиты, способность предсказывать и контролировать тепловой транспорт определяет производительность, надежность и безопасность устройства. Для многих материалов теплопроводность является четко определенным скалярным свойством. Однако в широком классе материалов - особенно с слоистыми кристаллическими структурами - теплопроводность не является единым числом, а тензором, который резко варьируется в зависимости от направления. Эта направленная зависимость, известная как анизотропия , имеет глубокие последствия для того, как мы проектируем и используем слоистые материалы в системах управления теплом.

Слоистые материалы, такие как графит, гексагональный нитрид бора (h-BN) и дихалкогениды переходных металлов (TMD), характеризуются сильной ковалентной связью в атомных плоскостях и слабыми взаимодействиями ван дер Ваальса между плоскостями. Эта структурная дихотомия приводит к значительно отличающимся теплопроводностям вдоль слоев (в плоскости) по сравнению с перпендикулярными к ним (в плоскости). Например, графит может проявлять теплопроводность в плоскости, превышающую 2000 Вт / м·К при комнатной температуре, в то время как его проводимость в поперечной плоскости составляет всего около 10 Вт / м·К - соотношение 200:1. Такая экстремальная анизотропия предлагает как проблемы, так и возможности для инженеров. В этой статье исследуются физические истоки анизотропной теплопроводности в слоистых материалах, ее измерение, ее влияние на управление температурой и стратегии, используемые для использования ее для лучшей производительности устройства.

Основы теплопроводности в твердых телах

Теплопроводность в твердых телах возникает из переноса энергии двумя первичными носителями: фононами (количественные колебания решетки) и электронами (или дырками). В неметаллических кристаллических материалах доминируют фононы; в металлах основными вкладчиками являются электроны.k является сумма вклада решетки k_ph и электронного вкладаk_e.

Транспортный фонон

Фононы переносят тепло через вибрации атомов в кристаллической решетке. Их способность к распространению зависит от жесткости атомных связей, скорости фононной группы и среднего свободного пути перед событиями рассеяния. В идеальном кристалле при низких температурах фононы могут перемещаться на большие расстояния, что приводит к высокой проводимости. При более высоких температурах фонон-фононное рассеяние (процессы Umklapp) снижает проводимость. При более высоких температурах фонон-фононное рассеяние (процессы Umklapp) снижает проводимость. _]phph _v v l, где C_v является удельным теплом на единицу объема, v является средней скоростью фонона (скорость звука), и l является фононным средним

Вклад электронов

В металлах и сильно легированных полупроводниках свободные электроны транспортируют как заряд, так и тепло. Электронная теплопроводность связана с электропроводностью законом Видемана-Франца: k_e = LσT, где LL — это электропроводность, σ — это температура.T В слоистых материалах электропроводность также сильно анизотропна из-за направленной зависимости подвижности электронов — опять же коренится в слоистой кристаллической структуре.

Анизотропия: направленная зависимость

Анизотропия в теплопроводности возникает всякий раз, когда кристаллическая решетка не является изотропной — то есть, когда атомное связывание и расстояние различаются по кристаллографическим осям. κ_ij описывает тепловой поток Q_i в ответ на температурный градиент ∂T/∂x_j. Для материала с одноосной симметрией (обычный в слоистых материалах) тензор упрощает до двух независимых компонентов: in-plane k_⁇ и out-of-plane или cross-plane ⁇ [

Происхождение в кристаллической структуре

В слоистых материалах атомы внутри каждого слоя связаны ковалентно или ионно — прочные связи, которые обеспечивают жесткую динамику решётки. Эти прочные связи приводят к высоким скоростям фононной группы и длинным средним свободным путям вдоль плоскости. Между слоями связь слаба (силы Ван-дер-Ваальса или в некоторых случаях электростатические взаимодействия). Эта слабая межслойная связь приводит к низким скоростям фонона и высоким скоростям рассеяния, перпендикулярным плоскостям. Результатом является термопроводность в плоскости, которая часто на порядки больше, чем значение поперечной плоскости.

In-Plane vs Cross-Plane Conductivity (Планирование)

Соотношение k_⁇/k_⁇ (или его взаимное) количественно определяет степень анизотропии.

Графиты: k_⁇ ≈ 2000 Вт/м·К, k_⁇ ≈ 10 Вт/м·К → отношение ~200

Гексагональный нитрид бора: k_⁇ ≈ 400 Вт/м·К, k_⁇ ≈ 2 Вт/м·К → отношение ~200

Молибдендисульфид [MoS₂:k_⁇ ≈ 100 Вт/м·К, k_⁇ ≈ 2 Вт/м·К → отношение ~50

Эти значения приблизительны и зависят от качества кристаллов, температуры и размеров образца.Высокая проводимость в плоскости делает слоистые материалы привлекательными для распространения тепла боково, в то время как низкая проводимость в поперечной плоскости может использоваться для теплоизоляции или для прямого теплового потока.

Слоистые материалы и их анизотропное поведение

Графит и графен

Графит, естественная форма углерода, состоит из уложенных графеновых слоев. В каждом графеновом листе атомы углерода являются sp2-гибридизованными и образуют сотовую решетку с исключительно сильными σ-связями. Эти связи порождают высокую термопроводность в плоскости, которая конкурирует с алмазом. Однако проводимость в поперечной плоскости ограничена слабыми межслойными силами. Сам графен - один атомный слой - демонстрирует почти идеальную двумерную теплопроводность с сообщенной теплопроводностью выше 3000 Вт / м · К около комнатной температуры. В практических применениях графитовые листы и композиты на основе графена используются в качестве распределителей тепла в электронике и батареях.

Гексагональный нитрид бора

h-BN является структурным по отношению к графиту, но состоит из чередующихся атомов бора и азота. Хотя его теплопроводность в плоскости (~ 400 Вт / м·К) ниже, чем у графита, h-BN является электрически изоляционным, что делает его ценным для приложений, требующих рассеивания тепла без электрической проводимости. Его соотношение анизотропии аналогично соотношению графита. Кроме того, h-BN химически и термически стабилен, что делает его пригодным для высокотемпературного термоуправления. Он часто используется в качестве наполнителя в материалах теплового интерфейса (TIMs) для повышения проводимости через плоскость при сохранении электрической изоляции.

Переходные металлические дихалкогениды (TMD)

Такие материалы, как MoS₂, WS₂ и WSe₂, имеют слоистую структуру, каждый слой которой содержит атом переходного металла, зажатый между двумя атомами халькогена. Их анизотропия теплопроводности обычно ниже, чем у графита, но все же значительна — соотношение 50—100. TMD представляют интерес для гибкой электроники и фотоники, где управление теплом на наноуровне имеет решающее значение. Их умеренная проводимость в плоскости (10—100 Вт/м·К) может быть настроена по количеству слоев и деформации.

Влияние на термическое управление

Анизотропия слоистых материалов создает как конструктивные возможности, так и ограничения. Во многих сценариях управления температурой инженеры хотят направлять тепло по определенным путям. Например, в теплоотводе тепло должно эффективно течь от горячего источника к охлаждающим плавникам (в плоскости), но не обязательно распространяться в подложку (в плоскости креста). И наоборот, в покрытии теплового барьера требуется низкая проводимость поперечной плоскости для изоляции нижележащих компонентов.

Электронное охлаждение

Современная электроника генерирует значительное тепло на единицу площади. Высокомощные чипы, такие как процессоры и усилители мощности, требуют эффективного распространения тепла, чтобы избежать горячих точек. Слоеные материалы, такие как листы графита и пленки графена, используются в качестве нагревательных распредвалов , расположенных непосредственно над чипом. Их высокая проводимость в плоскости быстро распределяет тепло по бокам, снижая пиковую температуру. В то же время их низкая проводимость в поперечной плоскости минимизирует утечку тепла в упаковку. Это анизотропное поведение может быть тщательно спроектировано путем ориентации слоев во время производства.

Термоэлектрические материалы

Термоэлектрические устройства преобразуют тепло в электричество (и наоборот) и требуют материалов с высокой электропроводностью, но низкой теплопроводностью для поддержания температурного градиента. Анизотропные слоистые материалы предлагают путь к отделению этих свойств. Достигая высокой электропроводности в плоскости (часто с помощью допинга) при сохранении низкой теплопроводности поперечной плоскости, такие материалы могут повысить термоэлектрическую величину достоинства (] ZT. Примеры включают Bi₂Te₃ и SnSe, оба из которых демонстрируют сильную термическую анизотропию.

Термические интерфейсы (TIM)

Термические интерфейсные материалы заполняют промежуток между источником тепла и теплоотводом. В идеале TIM должен иметь высокую межпланетную теплопроводность для передачи тепла через интерфейс. Однако многие традиционные TIM (смазки, прокладки) страдают от низкой проводимости. Анизотропные наполнители, такие как графитовые хлопья или частицы h-BN, могут быть выровнены в полимерной матрице для создания композита с высокой межпланетной теплопроводностью. Выравнивание имеет решающее значение - если наполнители случайным образом ориентированы, эффективная проводимость падает. Последние достижения продемонстрировали, что вертикально выровненные графитовые пленки могут достигать межпланетной теплопроводности, превышающей 100 Вт / м·К.

Методы измерения анизотропной теплопроводности

Для измерения теплопроводности в анизотропных материалах требуются методы, которые могут разрешать направленные компоненты. Стандартные методы для изотропных образцов (например, метод лазерной вспышки для сыпучих материалов) должны быть адаптированы или заменены более сложными подходами.

Терморфлектанс временных доменов (TDTR)

TDTR — это помпово-зондовая оптическая техника, которая может измерять теплопроводность в тонких пленках и в разных направлениях. Импульсный лазер нагревает слой металлического преобразователя на поверхности образца, а зондовый лазер измеряет температурный распад с пикосекундным разрешением. Изменяя размер пятна или анализируя сигнал распада в разных временных масштабах, можно извлечь как внутриплоскостную, так и межплоскостную проводимость. TDTR широко используется для изучения теплового транспорта в слоистых материалах, включая графен, MoS₂ и суперрешетки.

3ω Метод

Метод 3ω использует металлическую линию, нанесенную на образец, как для температуры тепла, так и для температуры ощущения. Применяя ток переменного тока на частоте ω и измеряя третье гармоническое напряжение, можно определить теплопроводность подложки. Для анизотропных образцов несколько конфигураций (например, различная ширина линии, ориентации) позволяют извлекать направленную проводимость. Этот метод хорошо работает для объемных и тонкопленочных образцов и особенно полезен для измерений поперечной плоскости.

Лазерный Flash-анализ (LFA)

LFA является стандартной методикой измерения тепловой диффузии сыпучих материалов. Для анизотропных образцов образец должен быть разрезан и ориентирован так, чтобы поток тепла шел в нужном направлении. Альтернативно, модифицированная установка LFA с сфокусированным лазерным пятном может измерять боковую диффузивность. Комбинирование LFA с другими методами, такими как инфракрасная термография, позволяет отображать тепловые свойства в плоскости и поперечной плоскости.

Инженерные стратегии для использования анизотропии

У дизайнеров есть несколько инструментов, чтобы использовать тепловую анизотропию в практических устройствах:

Контролирование ориентации слоя: Наиболее прямой подход заключается в выравнивании слоев в направлении желаемого теплового потока. В полимерных композитах с хлопкоподобными наполнителями магнитные или электрические поля могут ориентировать хлопья во время отверждения. Для объемного графита механическое прессование или экструзия выравнивает зерна.

Композитный дизайн: Смешивание двух анизотропных материалов может создать композит с с учетом анизотропной проводимости. Например, смешивание графита и h-BN в полимерной матрице дает электрическую перколяцию только в плоскости (если графит выровнен) при сохранении электрической изоляции поперечной плоскости.

Наноструктурирование: Введение интерфейсов или дефектов может избирательно снижать теплопроводность. Например, в термоэлектрических суперрешетках интерфейсы периода рассеивают фононы больше, чем электроны, уменьшая проводимость поперечной плоскости при сохранении внутрипланового электрического транспорта.

Сортированная анизотропия: Изменяя выравнивание или состав через толщину, можно создать материал, который имеет высокую проводимость в плоскости вблизи поверхности и низкую проводимость в поперечной плоскости глубже. Это полезно для термических барьерных покрытий с возможностью распространения тепла на поверхности.

Проблемы и будущие направления

Несмотря на обещание анизотропных слоистых материалов, остаются несколько проблем. Контролирующее выравнивание в масштабе сложно — неправильно ориентированные зерна или наполнители снижают эффективную анизотропию. Межфазное термостойкость между слоями может ограничить общую производительность, особенно в композитах и тонких пленках. Кроме того, многие методы измерения требуют тщательной подготовки образца и не подходят для рутинного контроля качества.

Будущие исследования сосредоточены на новых слоистых материалах с экстремальной анизотропией. Примеры включают черный фосфор (фосфорен), который проявляет сильную анизотропию в плоскости (различные по зигзагу и креслам направления). Машинное обучение и высокопроизводительный скрининг используются для прогнозирования анизотропной теплопроводности из баз данных кристаллической структуры, ускоряя открытие. Кроме того, фононная инженерия через легирование или изотопную инженерию может дополнительно настроить соотношения анизотропии.

Другой рубеж — разработка динамических систем управления теплом , которые могут переключаться между состояниями высокой и низкой проводимости. Слоистые материалы с перестраиваемой полем межслойной связью (например, через деформацию или электрохимическое интеркаляцию) могут обеспечить активное переключение тепла — концепция, иногда называемая «тепловым транзистором».

Заключение

Анизотропия — это не просто любопытное свойство некоторых кристаллов — это мощный рычаг для управления потоком тепла в современных материалах. Слоистые материалы, от графита до дихалкогенидов переходных металлов, демонстрируют некоторые из самых больших известных коэффициентов теплопроводности между плоскостными и поперечными направлениями. Эта зависимость от направления коренится в их уникальных кристаллических структурах, где сильные внутрислойные связи сосуществуют со слабыми межслойными силами. Инженеры используют эту анизотропию для разработки эффективных распределителей тепла, материалов теплового интерфейса и термоэлектрических устройств. Методы измерения, такие как TDTR и метод 3ω, обеспечивают необходимую характеристику, в то время как такие методы, как выравнивание и наноструктурирование, позволяют нам адаптировать анизотропные свойства для конкретных применений.

По мере роста спроса на компактную, высокопроизводительную электронику и энергоэффективные тепловые системы понимание и использование анизотропии становится все более критическим. Рассматриваемые здесь материалы, наряду с новыми слоистыми соединениями, предлагают универсальный инструментарий для управления теплом. Уважая направленность теплотранспорта, инженеры могут проектировать устройства, которые не только более эффективно рассеивают тепло, но и используют термическую анизотропию для новых функций.

Для дальнейшего чтения см. всесторонние обзоры по анизотропии теплопроводности в слоистых материалах и практическим применениям в управлении теплопроводностью . Онлайн-базы данных, такие как NIST Thermal Conductivity Database, предоставляют надежные данные для многих анизотропных материалов.