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微尺度传热
过去几十年来，微电子行业一直在推动小型化理念的深入人心。更小的设备意味着更快的运行速度、更便携和更紧凑的系统。这种小型化趋势具有感染力，纳米技术和薄膜加工的进步已经蔓延到广泛的技术领域。这些技术进步对一些领域产生了重大影响，包括二极管激光器、光伏电池、热电材料和微机电系统 (MEMS)。这些设备的设计改进主要来自实验和宏观测量，例如整体设备性能。这些设备和材料的微观特性的大多数研究都集中在电气和/或微观结构特性上。目前，许多热问题在很大程度上被忽视，限制了现代设备的性能。因此，这些材料和设备的热性能对于高科技系统的持续发展至关重要。人们对薄膜能量传输机制的了解需求催生了一个新的研究领域，即微尺度传热。微尺度传热只是在必须考虑单个载体或连续模型失效时对热能传递的研究。传热的连续模型经典地是能量守恒定律与热传导的傅立叶定律的结合。类似地，当连续流体力学模型不足以解释某些现象时，就出现了“气体动力学”的研究。微尺度传热领域具有一些惊人的相似之处。相似之处之一是方法论。通常，第一次建模尝试是修改连续模型，以便将微尺度因素考虑在内。更常见且稍微困难的方法是应用玻尔兹曼传输方程。最后，当这两种方法都失败时，通常采用计算详尽的分子动力学方法。下面将更详细地讨论这三种方法和具体应用。图 18.1 演示了电子（金属薄膜中的主要热载体）散射的四种不同机制。所有这些散射机制对于微尺度传热的研究都很重要。块体金属中电子的平均自由程通常在 10 到 30 纳米的数量级上，其中电子晶格散射占主导地位。然而，当薄膜厚度与平均自由程数量级相同时，边界散射就变得很重要。这被称为尺寸效应，因为薄膜的物理尺寸会影响传输特性。薄膜可以使用多种方法并在各种条件下制造。这可能会对薄膜的微观结构产生严重影响，进而影响缺陷和晶界散射。最后，当被超短脉冲加热时，电子系统会变得非常热，以至于电子-电子散射会变得非常明显。因此，微尺度传热需要考虑微观能量载体和各种可能的散射机制。