极限尺度下不同传热形式是否有统一的理论描述？

发布时间：2021-05-23

　　摘要：随着电子器件和智能制造不断微型化，极限尺度下的传热问题日益突出.本文讨论热辐射和热传导两种基本传热形式的传统理论在极限尺度下的适用性与统一性问题.提出在极限尺度下，两种传热形式能否有统一的理论描述是解决电子器件热管理和原子级智能制造核心问题的关键.

　　关键词：极限尺度;热传导;热辐射

　　1核心思想

　　物体间的热传递与人类生产、生活息息相关，其包括热传导、热辐射和热对流共3种基本形式.其中，热传导是指在物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子、自由电子或声子等微观粒子的热运动而进行的热量传递;热辐射是由于物体具有温度而辐射电磁波的现象，只要温度高于0K，一切物体均能产生热辐射.当两物体距离较远(宏观尺度)时，热传递可以用黑体辐射定律和辐射传递方程等理论描述;当距离较近(几微米至几十纳米)时，两物体之间的热传递主要由倏逝波隧穿作用产生;当距离与原子间距相当时，两物体接触形成界面，热传递可以用热传导表示.然而，在极限纳米尺度(0.1～10nm)下，热传导和热辐射等形式之间的区分不再明显，传统理论不再适用.因此，在该尺度下，上述各种热传递形式能否有统一的理论描述是解决电子器件热管理和原子级智能制造核心问题的关键.

　　2科学与工程价值

　　近年来，微纳加工和精密测量技术的飞速发展，为研究极限尺度下的传热问题提供了可能.Klopp-stech等[1]在真空环境中定量测量了极限尺度下两个分离良好的物体，即镀金近场扫描热显微镜尖端与平面样品(金)之间的传热，结果如图1所示.其中，P为两物体之间的传热量，d为两物体间距，It为微电流，r为探针尖端的半径.当d=0.2～1nm时，两物体之间的热通量极大，其值比黑体辐射的热通量大5个数量级，比传统涨落电动力学的预测值大4个数量级.此外，研究人员指出：不同声子隧穿理论无法描述测量结果.　　Chiloyan等[2]提出一个基于微观麦克斯韦方程和晶格动力学的理论，并用其描述各种热传递形式的收敛和过渡.当d>1nm时，该理论的预测值与涨落电动力学理论计算值基本一致;当d为亚纳米尺度时，预测值比连续理论计算值大4倍，这可能是由于低频声子因与倏逝波耦合而发生隧穿，为热传递提供了额外的通道并导致其增强.但其具体原因有待进一步研究.

　　上述研究表明，在极限纳米尺度下，热传导和热辐射等传热形式的传统理论不再适用，需要改进现有传热模型，并开发新的模型.这为传热科学的发展带来了新挑战，同时也为高效能源收集转换和电子器件热管理等应用带来新机遇.

　　3结语

　　随着微纳加工技术的飞速发展，电子器件和智能制造发展也逐渐微型化，所涉及的极限尺度下的传热问题也日益突出.当两物体表面的间距接近极限尺度时，声子热传导和光子热辐射这两种最基本的传热形式之间的边界变得模糊.热传导和热辐射等传热形式在该尺度下能否有统一的理论描述是解决电子器件热管理和原子级智能制造核心问题的关键.——论文作者：赵长颖，王博翔，陈杰，张文斌，黄天成，刘梦琦

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