[論文レビュー] Dramatic increase in the thermal boundary conductance and radiation limit from a Nonequilibrium Landauer Approach

Jingjing Shi, Xiaolong Yang+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 2018

Thermal properties of materials参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、界面におけるフォノンの非平衡状態を考慮することで、長年の理論的・実験的熱境界伝導率（TBC）の乖離を解消する非平衡ランドーアアアプローチを提案する。'ドレッシングされた'と'intrinsic' TBCという概念を導入し、放射限界を再定義することで、Al/SiおよびZnO/GaN界面における理論的TBC予測値がほぼ2倍に上昇し、実験結果と非常に良好に一致し、放射限界が非平衡条件下で100%以上上昇しうることを示した。

ABSTRACT

Thermal boundary conductance (TBC) is critical in many thermal and energy applications. A decades-old puzzle has been that many of the measured TBCs, such as those well characterized across Al/Si and ZnO/GaN interfaces, significantly exceed theoretical results or even the absolute upper limit called the ``radiation limit", suggesting the failure of the theory. Here, we identify that for high-transmission interfaces, the commonly assumed phonon local thermal equilibrium adjacent to the interface fails, and the measurable phonon temperatures are not their emission temperature. We hence develop a ``nonequilibrium Landauer approach" and define the unique ``dressed" and ``intrinsic" TBCs. Combining our approach even with a simple diffuse mismatch model (DMM) nearly doubles the theoretical TBCs across the Al/Si and ZnO/GaN interfaces, and the theoretical results agree with experiments for the first time. The radiation limit is also redefined and found to increase over 100\% over the original radiation limit, and it can now well bound all the experimental data.

研究の動機と目的

• 理論的限界を超えて実験的熱境界伝導率（TBC）値が観測されるという、ランドーア理論が実験的TBC値を予測できないという長年の問題を解決すること。
• 高透過率系において、界面での局所的熱的平衡の仮定がフォノンの非平衡状態により破綻することを特定すること。
• 界面近傍におけるモード的フォノン非平衡状態を考慮する新しい理論枠組みを構築すること。
• 界面熱伝達をよりよく記述するための2つの新しい概念—'ドレッシングされた'と'intrinsic' TBCを定義すること。
• 非平衡状態における動的上限としての放射限界を再評価し、非平衡状態で著しく上昇しうることを示すこと。

提案手法

• 局所的平衡の仮定を越えて、界面における入射・反射・透過フォノンを考慮する非平衡ランドーアアプローチを導入すること。
• モード別等価平衡温度 $ T_{\lambda,1} $ と $ T_{\lambda,2} $ を定義し、発光温度 $ T_{e,1} $ と $ T_{e,2} $ の重み付き平均として表す。重みはフォノン群速度とスペクトル透過係数に基づく。
• ボーズ＝アインシュタイン分布と詳細平衡を用いて、界面近傍で測定可能なフォノン温度を表す局所的等価温度 $ T_1 $ と $ T_2 $ の式を簡略化すること。
• 局所的等価温度 $ T_1 $ と $ T_2 $ をもとに有効伝導度としての'ドレッシングされた'TBCを導出し、発光温度に基づく'intrinsic'TBCを定義すること。
• 単純な拡散不一致モデル（DMM）を用いてスペクトル透過係数を計算し、Al/SiおよびZnO/GaN界面の実験的TBCデータと照合することで妥当性を検証すること。
• 非平衡効果を組み込んで放射限界を再導出し、古典的限界と比較して100%以上上昇しうることを示すこと。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Al/SiやZnO/GaNのような高透過率界面では、なぜ実験的熱境界伝導率（TBC）値が古典的ランドーア理論および放射限界を著しく上回るのか？
• RQ2 界面におけるフォノンの非平衡状態が、熱輸送モデルにおける局所的熱的平衡仮定をどのように無効にするのか？
• RQ3 モード的非平衡状態を考慮する修正されたランドーアアプローチは、複雑な原子間ポテンシャルに依存せず、実験的TBC値を正確に予測できるか？
• RQ4 スペクトル透過係数は、界面近傍で測定される有効温度にどのように寄与するのか？
• RQ5 非平衡状態において、放射限界はどのように再定義され、有効な上限として機能するのか？

主な発見

• 非平衡ランドーアアプローチは、Al/SiおよびZnO/GaN界面における実験的TBC値を、古典的ランドーア理論では説明できなかったものを含めて、うまく説明できた。
• 単純な拡散不一致モデル（DMM）を用いても、理論的TBC値はほぼ2倍に上昇し、実験測定値と非常に良好に一致した。
• 放射限界は再定義され、古典的値と比較して100%以上上昇していることが判明し、すべての実験データに対して有効な上限として機能することが示された。
• 測定可能な局所的等価温度に基づく'ドレッシングされた'TBCの概念は、非平衡状態下での界面熱伝達を物理的に整合性のある枠組みで記述するのに適している。
• 'intrinsic'TBCは発光温度に基づくが、'ドレッシングされた'TBCとは明確に異なり、熱伝達の根本的メカニズムに関する洞察を提供する。
• 特に高透過率界面において古典理論がTBCを過大評価するという長年の謎が、本モデルによって解消された。