[논문 리뷰] Thermal interface conductance between aluminum and aluminum oxide: A rigorous test of atomistic level theories

Murali Gopal Muraleedharan, Kiarash Gordiz외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 17.

Thermal properties of materials참고 문헌 36인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 알루미늄-사파이어(Al-α-Al2O3) 인터페이스에서 열계면 열전도도를 정확하게 이론적으로 예측한 최초의 결과를 제시한다. 이는 시간영역 열반사도(TDTR) 실험과 비교했을 때 평균 오차가 5% 미만인 interfacial conductance modal analysis(ICMA)를 사용한 결과이다. ICMA는 전체 비조화성과 계면 열역학적 흐름의 기본적 처리를 통합함으로써 원자구조 그린 함수(AGF)를 능가하며, 열전도도의 90% 이상이 알루미늄과 알루미나의 진동 모드 간의 교차상관 모드에서 기인한다는 것을 드러낸다.

ABSTRACT

We report the first ever accurate theoretical prediction of thermal conductance of any material interface. Thermal interfacial conductance of aluminum (Al)-sapphire (α-Al2O3) interface along crystal directions (111) Al || (0001) Al2O3 for temperature ranging from 50-500 K is calculated using two fundamentally different methods: interfacial conductance modal analysis (ICMA) and atomistic green function (AGF). While AGF overpredicts interfacial conductance, both the quantitative and qualitative predictions of ICMA are exceptional when compared with the time-domain thermoreflectance (TDTR) experimental data. The mean error in ICMA results are below 5%. We believe that the accurate theoretical prediction by ICMA can be credited to a more fundamental treatment of the interfacial heat flux in contrast to that of the phonon gas model (PGM) and inclusion of anharmonicity to full order. ICMA also gives the eigen mode level details revealing the nanoscale picture of heat transport: more than 90% of conductance is contributed by the cross correlation (interaction) between partially extended modes of Al and Al2O3 and the remaining is attributed to interfacial modes. This is a major milestone in combustion heat transfer research enabling materials scientists to rationally design propellant architectures to serve long-distance propulsion missions.

연구 동기 및 목표

• 알루미늄-사파이어 계면에서 열계면 열전도도에 대한 최초의 기본 원리 기반 이론적 예측을 달성하기 위해.
• 실험 데이터와의 정밀한 비교를 통해 원자 수준의 계면 열전달 이론을 검증하기 위해.
• 알루미늄/알루미나 계면에서 진동 모드를 통한 열전도 메커니즘을 규명하기 위해.
• ICMA와 AGF가 계면 열전도도를 예측할 때의 정확성과 물리적 일관성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 계면 열역학적 흐름 연산자의 정확한 해를 바탕으로 한 고온도 근사에서의 interfacial conductance modal analysis(ICMA)를 적용하였다.
• 자기에너지 보정을 통해 계면에서의 진동 모드 산란을 처리하는 기준 방법으로 atomistic Green's function(AGF)을 사용하였다.
• 알루미늄(111) || 알루미나(0001) 결정 방향에서 50–500 K 온도 범위에서 열전도도를 계산하였다.
• 이론적 예측 결과를 직접적으로 시간영역 열반사도(TDTR) 실험 측정치와 비교하였다.
• ICMA에 전체 비조화성을 통합하여 진동가모델(PGM)을 초월한 정확도 향상을 도모하였다.
• 모드별 기여도를 분석하여 계면 모드와 교차상관성 있는 밀도 높은 모드를 구분하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 원자 수준 이론을 사용하여 알루미늄-사파이어 계면에서의 계면 열전도도를 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ2 ICMA와 AGF는 계면 열전도도 예측에서 어떻게 상호 비교되며, 어느 방법이 실험 데이터와 더 잘 일치하는가?
• RQ3 계면 모드와 교차상관성 있는 밀도 높은 모드 간의 기여도는 총 열전도도에서 각각 얼마나 차지하는가?
• RQ4 전체 비조화성이 계면 열전달 이론 예측의 정확도 향상에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 Al/Al2O3 계면에서 주요 열전도 경로의 물리적 기원은 무엇인가?

주요 결과

• ICMA는 50–500 K 범위에서 시간영역 열반사도(TDTR) 실험 데이터와 비교했을 때 평균 오차가 5% 미만이었다.
• ICMA는 정량적·정성적으로 정확한 예측을 제공하였고, 반면 AGF는 계면 열전도도를 과대 예측하였다.
• 열전도도의 90% 이상이 알루미늄과 알루미나의 부분적으로 확장된 진동 모드 간의 교차상관성에서 기인하였다.
• 나머지 열전도도는 계면 모드에 기인하였으며, 이는 밀도 높은 모드 간의 결합이 열전도를 지배한다는 것을 시사한다.
• ICMA의 성공은 그 자체로 계면 열역학적 흐름을 기본적으로 다루고 전체 비조화성을 포함하고 있기 때문이며, 이는 진동가모델과는 다름.
• 본 연구는 복잡한 물질계에서 계면 열전도도를 예측하는 데 있어 ICMA가 신뢰할 수 있는 프레임워크임을 입증하였다.