文档介绍：基于热质理论的纳米系统热整流现象
主要内容
总结
热整流现象
流动整流现象
热质理论
研究背景
I 研究背景
C. W. Chang, D. Okawa, A. Majumdar. Solid-state thermal rectifier. Science 314 1121-1124 (2006)
整流比=Q(WTN)-Q(NTW)/Q(NTW)~3%-7%
热整流有希望应用于热二极管,热计算机当中去,成为近年来一个研究热点。
Low Mass
High Mass
CNT or BNNT
C9H16Pt
N Yang, G Zhang, and B Li. Appl. Phys. Lett. 93, 243111 (2008);Appl. Phys. Lett. 95, 033107 (2009)
整流比=Q(WTN)-Q(NTW)/Q(NTW)~100%-300%
归因于正反向导热时声子频率匹配程度不同
I 研究背景
I 研究背景
与之前的基于石墨烯的实验与模拟不同,在非对称硅纳米薄膜中,实验观测到NTW的热导比WTN的热导大。
目前对纳米系统中热整流还缺乏定量分析的宏观理论,特别是难以解释不同材料中不同的变化趋势。
II 热质理论
近年来发展的热质理论提出,根据质能对应关系,介质中的热能具有当量质量。热量传递就是热质流体在介质中的运动。
可以用流体力学方法来描述热量的运动过程,写出动量守恒方程(介电固体):
空间惯性
驱动力、阻力
时间惯性
热质理论能否为非对称纳米结构热整流提供解释?
在流体流动中,惯性力作用使流体运动方向不同时,等效流阻不同
III 流动整流现象
无粘性流动
考虑流体粘性
W
N
当量流阻
Nozzle, -p>0
Diffuser, -p<0
III 流动整流现象
当流体速度很小时,惯性流阻相比粘性流阻很小,这时整流现象可以忽略。
一般而言,惯性流阻使WTN方向的阻力更大。但是,NTW方向流动会出现流动分离。如果发生流动分离,则NTW方向的阻力可能会更大。
IV 热整流现象
采用与流体力学类似的分析方法,基于热质运动方程中的空间惯性力项,可以得到非对称结构中的热整流现象
当量热阻
若惯性热阻与阻力热阻相当,要求
阻力
惯性
IV 热整流现象
由于tTM很小(10-10~10-12s),只有在纳米系统中才能观测到热整流现象
以硅纳米薄膜为例研究热整流效应,厚度D为50nm,窄端宽LN=50nm,宽端宽度LW=300nm,长L=500nm, 两端固定温差30K.