Kemajuan Baharu Dicapai dalam Penyelidikan Pengurusan Terma Untuk Antaramuka Hetero Berasaskan Berlian-

 

Dengan perkembangan pesat kenderaan elektrik, pusat data dan sistem tenaga baharu,-peranti elektronik berkuasa tinggi terus berkembang ke arah-ketumpatan kuasa yang lebih tinggi. Pada masa yang sama, ketumpatan fluks haba dalaman dalam peranti ini terus meningkat-dengan titik panas setempat yang kadangkala mencapai keamatan 1200–4500 W/cm²-menyebabkan "keupayaan pelesapan haba" beralih secara beransur-ansur daripada metrik tambahan kepada faktor kritikal yang menentukan kedua-dua prestasi dan kebolehpercayaan peranti. Berlatarkan latar belakang ini, bahan berasaskan silikon-tradisional-dihalang oleh kekonduksian terma yang wujud dan had toleransi suhu yang tinggi-tinggi-semakin tidak dapat memenuhi permintaan peranti berkuasa tinggi-generasi baharu ini, sekali gus memaksa industri untuk mempercepatkan peralihan bahan baharu yang dicirikan oleh sistem kekonduksian habanya.

 

Di antara pelbagai bahan calon, berlian dan tiub nano karbon (CNT) telah mendapat perhatian penting kerana kekonduksian terma yang sangat tinggi. Berlian mempunyai kekonduksian terma melebihi 2000 W/m·K, manakala tiub nano karbon melebihi angka ini, melebihi 3000 W/m·K; tambahan pula, keserasian struktur dan kimia yang dikongsi oleh kedua-dua bahan ini memberikan mereka potensi besar untuk membina antara muka haba yang sangat cekap.

Walau bagaimanapun, dalam aplikasi praktikal-walaupun bahan konstituen itu sendiri mempunyai sifat terma intrinsik yang sangat baik-antara muka yang terletak di antara bahan yang berbeza sentiasa memperkenalkan rintangan haba yang ketara, dengan itu muncul sebagai hambatan kritikal yang mengekang kecekapan pelesapan haba keseluruhan. Akibatnya, persoalan bagaimana untuk mengoptimumkan sifat pengangkutan terma khususnya di peringkat antara muka telah muncul sebagai sempadan penyelidikan penting dalam bidang pengurusan terma kontemporari.

Baru-baru ini, pasukan penyelidik yang diketuai oleh Li Chengming di Universiti Sains dan Teknologi Beijing menerbitkan kertas penyelidikan bertajuk "Penyiasatan rintangan haba antara muka dalam heterostruktur berlian/CNT melalui bukan-dinamik molekul keseimbangan" dalam *Jurnal Antarabangsa Pemindahan Haba dan Jisim*. Kajian ini secara sistematik menganalisis-pada skala atom-pelbagai faktor yang mempengaruhi rintangan haba antara muka serta mekanisme asas untuk modulasinya dalam heterostruktur berlian/CNT.

 

Penemuan penyelidikan mendedahkan bahawa struktur antara muka memberi pengaruh yang mendalam terhadap rintangan haba. Khususnya, pengenalan lapisan salutan titanium (Ti) menghasilkan pengurangan drastik dalam rintangan haba antara muka, menurunkannya daripada kira-kira 41.6 m²·K/GW kepada 7.89 m²·K/GW sahaja. Peralihan yang diperhatikan ini menunjukkan bahawa interposing lapisan peralihan antara CNT dan substrat berlian dengan berkesan boleh meningkatkan hubungan antara muka dan menambah saluran yang tersedia untuk gandingan fonon, dengan itu mencapai peningkatan ketara dalam kecekapan pengaliran haba. Analisis lanjut mendedahkan bahawa antara pelbagai orientasi satah kristal, satah (100) secara konsisten mempamerkan rintangan haba antara muka yang paling rendah, menunjukkan bahawa orientasi kristal memberi pengaruh yang ketara ke atas susunan dan interaksi atom antara muka.

 

Mengenai modulasi permukaan, kajian menunjukkan bahawa kebanyakan pengubahsuaian permukaan mampu meningkatkan sifat pengangkutan terma antara muka, dengan pengubahsuaian fluorin (F) menghasilkan kesan yang paling ketara. Di bawah keadaan optimum, rintangan haba antara muka boleh dikurangkan kepada kira-kira 4.45 m²·K/GW-pengurangan yang ketara berbanding antara muka yang tidak diubah suai. Pada masa yang sama, kesan liputan permukaan pada rintangan haba mempamerkan ciri tak linear: apabila liputan meningkat, rintangan haba antara muka secara amnya berkurangan, mencapai nilai minimum pada liputan kira-kira 75%; walau bagaimanapun, meningkatkan lagi liputan melebihi tahap ini sebenarnya boleh mengurangkan kesan pengoptimuman. Keputusan ini menunjukkan bahawa, dalam proses fabrikasi praktikal, adalah tidak perlu untuk meneruskan liputan permukaan yang lengkap; sebaliknya, rejim struktur yang optimum wujud.

 

Secara keseluruhannya, kajian ini secara sistematik menjelaskan prinsip-prinsip pentadbiran untuk memodulasi rintangan haba antara muka dalam sistem berlian/CNT. Ia menjelaskan kesan sinergistik triad "orientasi satah kristal-pengubahsuaian permukaan-liputan" pada pengangkutan terma antara muka dan memberikan penjelasan bersatu berasaskan fizik peringkat -phonon. Penemuan menunjukkan bahawa dengan memilih (100) satah kristal, memperkenalkan pengubahsuaian F dan mengoptimumkan liputan, rintangan haba antara muka boleh dikurangkan dengan berkesan, sekali gus menawarkan laluan yang jelas untuk reka bentuk pengurusan haba peranti elektronik berkuasa tinggi-.

 

Pada peringkat aplikasi, kerja ini menyediakan asas teori yang penting untuk reka bentuk bahan pengurusan haba komposit berlian/CNT dan menawarkan cerapan berharga untuk pengoptimuman terma peranti baharu seperti CNTFET dan GaN-pada-struktur berlian. Tambahan pula, analisis sistematik berdasarkan simulasi dinamik molekul membantu meminimumkan kos percubaan-dan-ralat semasa prosedur percubaan dan meningkatkan kecekapan reka bentuk kejuruteraan antara muka.

 

Memandang ke hadapan, kertas itu menyatakan bahawa pengesahan eksperimen lanjut mengenai strategi modulasi antara muka yang dicadangkan masih diperlukan. Selain itu, usaha mesti ditujukan ke arah memajukan teknik fabrikasi untuk-bahan berlian kawasan besar dan meningkatkan teknologi kawalan orientasi kristal. Selain itu, pembangunan proses yang boleh dikawal dan stabil untuk pengubahsuaian antara muka-serta kejayaan penyepaduan reka bentuk struktur ini ke dalam peranti elektronik sebenar-kekal menjadi arah kritikal untuk penyelidikan masa hadapan.