[论文解读] 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 5

一句话总结

本文提出了一种非平衡Landauer方法，通过考虑界面处的声子非平衡态，解决了理论与实验之间长期存在的热边界导热系数（TBC）差异问题。通过引入‘修饰’和‘本征’TBC概念，并重新定义辐射极限，该模型将Al/Si和ZnO/GaN界面的理论TBC预测值几乎提高了一倍，与实验结果高度吻合，表明辐射极限在非平衡条件下可提升超过100%。

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.

研究动机与目标

• 解决Landauer理论长期无法预测实验热边界导热系数（TBC）值的问题，这些值通常超过理论极限。
• 识别出在高透射率系统中，界面处局域热平衡假设因声子非平衡而失效。
• 提出一种新的理论框架，以描述界面附近模态声子非平衡状态。
• 定义两个新概念——‘修饰’TBC与‘本征’TBC，以更准确地描述非平衡条件下的界面热传导。
• 重新评估辐射极限，将其视为一个可显著提升的动态上限，尤其在非平衡条件下。

提出的方法

• 提出一种非平衡Landauer方法，考虑界面处的入射、反射与透射声子，突破局域平衡假设。
• 将模态等效平衡温度 $ T_{\lambda,1} $ 和 $ T_{\lambda,2} $ 定义为发射温度 $ T_{e,1} $ 与 $ T_{e,2} $ 的加权平均值，权重基于声子群速度与光谱透射系数。
• 利用玻色-爱因斯坦分布与详细平衡原理，简化局部等效温度 $ T_1 $ 与 $ T_2 $ 的表达式，后者代表界面附近可测量的声子温度。
• 推导出‘修饰’TBC，其基于局部等效温度 $ T_1 $ 与 $ T_2 $ 的有效导热率；而‘本征’TBC则基于发射温度。
• 将该模型与简单的漫反射匹配模型（DMM）结合，计算光谱透射率，并与Al/Si和ZnO/GaN界面的实验TBC数据进行验证。
• 通过引入非平衡效应，重新推导辐射极限，表明其相比经典极限可提升超过100%。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何Al/Si和ZnO/GaN等高透射率界面的实验热边界导热系数值显著超过经典Landauer理论与辐射极限？
• RQ2 界面处的声子非平衡如何使热传导模型中标准的局域热平衡假设失效？
• RQ3 一种考虑模态非平衡的改进Landauer方法，是否能在不依赖复杂原子间势能的情况下，准确预测实验TBC值？
• RQ4 光谱透射系数在决定界面附近测量有效温度中的作用是什么？
• RQ5 如何重新定义辐射极限，使其在非平衡条件下仍可作为有效的上限？

主要发现

• 非平衡Landauer方法成功解释了Al/Si和ZnO/GaN界面的实验TBC值，这些值此前无法被经典Landauer理论解释。
• 即使仅与简单的漫反射匹配模型（DMM）结合，理论TBC值也几乎翻倍，与实验测量结果高度一致。
• 辐射极限被重新定义，并发现其相比经典值可提升超过100%，现可作为所有实验数据的有效上限。
• 基于可测量局部等效温度的‘修饰’TBC概念，为非平衡条件下界面热传导提供了物理解释一致的框架。
• ‘本征’TBC（基于发射温度）与‘修饰’TBC不同，揭示了热传导机制的本质。
• 该模型解决了经典理论长期高估TBC的难题，尤其在高透射率界面中表现显著。