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破解芯片过热之谜:“看清”界面原子级声子传热

  • 摘要: 在日常生活经验中,人们对物体的热传导现象形成了直观认知:当物体的温度不均匀时,热量会从高温区域流向低温区域,使得温度会从高温区到低温区呈现连续变化。这一现象早在1822年就由傅里叶通过“热扩散定律”进行了理论描述。该定律指出,单位时间内通过给定截面的热量,与垂直于该截面方向上的温度变化率及截面面积成正比,其中的比例系数便是衡量材料导热能力的关键物理量——热导率。此后,泊松于1835年提出“分子辐射理论”,该理论预言在两种不同导体的交界处会出现温度不连续变化。不过,由于这种温度不连续变化极其微弱,直到1898年,斯莫卢霍夫斯基(Smoluchowski)等学者才通过精密实验测量证实,玻璃—空气界面处的温度不连续变化量级,约等同于气体中1 μm尺度的温度变化,对应的界面热阻(界面热导率的倒数)数值约为10-6—10-5 m2K/W。1941年,卡皮查(Kapitza)在液氦—金属界面实验中也观察到类似现象:每施加1 mW/cm2的热流时,界面处存在约2 mK的温度跳变,且该现象发生在界面10 μm的范围内。这种界面处的温度不连续特性,意味着界面对热流传递产生了阻碍作用,即产生了“热阻”。鉴于卡皮查实验的深远影响,学术界将此类界面热阻命名为“卡皮查热阻”。后续研究发现,卡皮查热阻不仅存在于固体—气体、固体—液体等非同相系统界面,在固体—固体界面同样普遍存在。

     

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