Теплоперенос в наномасштабе

Быстрый прогресс в синтезе и обработке материалов со структурой на нанометровом масштабе длин обусловил потребность в более глубоком научном понимании теплопереноса в наноразмерных устройствах, отдельных наноструктурах и наноструктурированных материалах. В этом обзоре основное внимание уделено достижениям в эксперименте, теории и вычислительных методах, полученным за последние десять лет, а также обобщено современное состояние данной области. На малых масштабах длин границы раздела между материалами приобретают все большее значение. Тепловая проводимость многих границ раздела типа «твердое тело — твердое тело» была исследована экспериментально, однако диапазон наблюдаемых свойств границ раздела значительно уже, чем предсказывает простая теория. Моделирование методом классической молекулярной динамики становится мощным инструментом для расчета тепловой проводимости и рассеяния фононов и в ближайшем будущем может обеспечить плодотворное взаимодействие эксперимента и теории. Сохраняются фундаментальные вопросы, связанные с корректным определением температуры в неравновесных наноразмерных системах. Современная кремниевая микроэлектроника уже прочно вошла в наноразмерный режим: эксперименты показали, что тесное расположение границ раздела и чрезвычайно малый объем рассеяния тепла существенно изменяют теплоперенос, тем самым усугубляя проблемы терморегулирования. Микроэлектронные устройства слишком велики, чтобы в обозримом будущем их можно было моделировать на атомарном уровне; поэтому расчеты теплопереноса должны основываться на решении уравнения переноса Больцмана. Микроскопические скорости рассеяния фононов, необходимые для прогнозных моделей, остаются плохо изученными даже для кремния. Предсказывается, что низкоразмерные наноструктуры, такие как углеродные нанотрубки, обладают новыми свойствами переноса; первые количественные эксперименты по измерению теплопроводности нанотрубок недавно были выполнены с использованием микрофабричных измерительных систем. Наноразмерная пористость снижает диэлектрическую проницаемость аморфных диэлектриков, однако она также резко уменьшает теплопроводность. The...