【奈米材料】兩個發熱源靠得近反而更能散熱?

■積體電路上如果把兩個電晶體靠得很近一定很難散熱吧!但有科學家不這麼認為。

Credit: Kathy Hoogeboom-Pot and the Kapteyn/Murnane Group
Credit: Kathy Hoogeboom-Pot and the Kapteyn/Murnane Group

撰文|方程毅

假設有兩個會發熱的物體,應該是距離越遠散熱效果越好。因此當人類把電子元件越做越小、越做越密集時,晶片的散熱能力就成為一大問題,但這個再直覺不過的觀念卻有科學家提出完全相反的說法:如果有兩個發熱體尺寸夠小,小到只有奈米等級,距離也只有奈米等級,散熱能力並不會比較差。

要了解這個違反直覺的現象,就要先了解「散熱」是什麼,這裡的散熱是指固體中的傳導,而非對流或輻射。世界上所有的固體無一例外,都會震動,這種震動是熱的一種表現。科學上把這樣的震動量子化為「聲子」(phonon),聲子在固體內的產生、消滅、擴散或碰撞都伴隨著熱量改變。

我們可以把聲子想像成一顆帶有能量的球,球越多、越集中在某處,就代表該處溫度越高。溫度梯度趨動聲子擴散,聲子從濃度高的地方擴散到濃度低的地方,並在過程中不斷互相碰撞,其中非彈性碰撞就會讓熱導率變差。但是,聲子並不是一離開發熱源就一定會碰到其他聲子,無論聲子再怎麼密集,總有些幸運的聲子就是比較不容易遇碰到其他聲子,所以可以在固體內移動較長的距離。有些聲子走得比較遠,有些比較近,因此統計上定義了「平均自由徑」(mean free path)來描述這個行為,平均自由徑就是一個聲子「平均」要走多少距離才會跟另一個聲子進行非彈性碰撞(非彈性碰撞會阻礙聲子的移動,可以想像拿海綿球撞其他海綿球,海綿球們根本走不遠;但是用撞球去撞其他撞球,比海綿球更接近彈性碰撞,其他撞球就會走比較遠了)。平均自由徑因材料而異,例如矽,聲子在矽裡的平均自由徑就大於一微米(μm)。

利用聲子來解釋熱傳導,就是可以合理解釋這個違反直覺的現象。

假設兩個發熱源的尺寸在數公分左右,以間隔一公分放置在一起。這時候聲子的運動機制就類似擴散(也就是傳統的傳熱機制),藉由不斷的碰撞,聲子從高濃度的地方移動到低濃度地方,熱量也就從高溫處擴散到低溫處。擴散的本質就是碰撞,假設平均每一微米就發生一次非彈性碰撞,並傳遞熱量,因為發熱源的尺度遠大於平均自由徑,聲子非彈性碰撞的次數非常多,所以擴散模型才能合理解釋熱傳導。

但是,在奈米尺度下就不是這麼一回事了。假設兩個20奈米的發熱源間隔20奈米擺在一起,聲子平均可以走一微米(20奈米的50倍)才發生非彈性碰撞,也就是說聲子可以「逃」比我們利用擴散模型預測得更遠,既然聲子不會在短距離內非彈性碰撞,這個距離內的熱傳遞就會非常順利,因此散熱能力也就比傳統擴散模型預測的更好。

這個完全違反直覺的現象是由科羅拉多大學(University of Colorado)及勞倫斯柏克萊國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory)共同發現的,他們在2010年發現這個機制並發表在《自然‧材料》期刊(Nature Materials),並在2015年進行更完整的量測發表在Proceedings of the National Academy of Sciences

這項發現對於IC產業或是研究奈米科技的人來說是一大福音,因為大家眼前的困難變簡單了,由於元件過於密集造成的散熱問題沒有想像中的嚴重,積體電路的散熱能力也將比預期中的好,雖然這不代表散熱已不再是個難題,但距離人類解決這問題又更前進一步了。(或是這個問題自己向我們走進了一步。)

原始論文:

  1. Hoogeboom-Pot, Kathleen M., Jorge N. Hernandez-Charpak, Xiaokun Gu, Travis D. Frazer, Erik H. Anderson, Weilun Chao, Roger W. Falcone et al. "A new regime of nanoscale thermal transport: Collective diffusion increases dissipation efficiency." Proceedings of the National Academy of Sciences 112, no. 16 (2015): 4846-4851.
  2. Siemens, Mark E., Qing Li, Ronggui Yang, Keith A. Nelson, Erik H. Anderson, Margaret M. Murnane, and Henry C. Kapteyn. "Quasi-ballistic thermal transport from nanoscale interfaces observed using ultrafast coherent soft X-ray beams."Nature materials 9, no. 1 (2010): 26-30.

其他參考資料與圖片出處:Hot nanostructures cool faster when they are physically close together.

--
作者:方程毅 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

加入好友

7,446 人瀏覽過

4 thoughts on “【奈米材料】兩個發熱源靠得近反而更能散熱?

  • 2015 年 07 月 07 日 at 19:05:34
    Permalink

    聲子不是玻色子嗎,要怎麼碰撞...交互作用的對象應該是晶格中的原子吧...

    Reply
    • 2015 年 07 月 08 日 at 01:32:50
      Permalink

      雖然物理上把聲子量子化,但並不代表真的有一顆球在晶體內運動
      所謂碰撞 是讓這個觀念更容易理解的說法
      碰撞與否跟坡色子沒有關係

      聲子就是原子震動的量子化,所以聲子可以跟聲子本身、電子、晶格缺陷或介面產生交互作用,因為這些東西都會改變原子震動的狀態

      Reply
    • 2015 年 07 月 08 日 at 23:37:16
      Permalink

      請問一下, 如果以函數來看的話, 材料內的光子機率分布(原子核震動產生的場)應該是連續的不是嗎? 然後原子核的狀態函數(聲子)的越遷率也是依照光子的強度來決定不是嗎?

      這樣一來為什麼會有"遠的地方光子機率密度比較大"(遠的地方傳得快)的情形發生?

      還是這個文章的意思是說當兩個震盪電荷造成的光子密度函數疊合後的情形會比巨觀的溫差導熱方程還來的分佈的遠?

      (原子核發出的光子的密度函數應該是簡單的電荷震盪電磁場吧? )

      這篇有實驗支持嗎?

      Reply
      • 2015 年 07 月 10 日 at 00:53:38
        Permalink

        光子? 這篇是講聲子喔
        論文中有對矽(Si)跟藍寶石(sapphire)進行量測並且跟理論作比較

發佈留言

發佈留言必須填寫的電子郵件地址不會公開。 必填欄位標示為 *

為了避免你是機器人,請在留言前回答以下問題: