Molecular Dynamics Studies on Interface Heat Transfer Control Using Electric Field

Abstract

Thermal management is considered as a bottleneck for the development of next generation micro/nano-electronics with high heat dissipation rates. When component sizes decrease to nanoscales, increase in surface to volume ratio leads the interfacial thermal resistance (ITR) to dominate the heat transfer behavior. The current study focuses on characterizing ITR at molecular level and exploring smart thermal management concepts for nano-scale systems. In sequence, the effect of solid thickness on ITR was investigated such that the altered phonon spectrum inside the solid domain creating the size dependency on thermal conductivity was also found to create a size dependency in ITR. Next, an active and local manipulation of heat transfer between water and various solids by an applied uniform and/or non-uniform electric field was examined. When the water molecules underwent electric field induced orientation polarization and liquid dielectrophoresis (LDEP), a substantial increase in heat transfer was developed due to the decrease in ITR and increment in thermal conductivity. Finally, an interface-localized heat transfer control technique was proposed, where interdigitated electrodes (IDEs) were embedded into the heat dissipating surface. IDEs created an electric field gradient exclusively near the electrode surface which resulted in LDEP forces on the water dipoles at near surface region enhancing solid/liquid interface energy and almost eliminating the ITR. We developed semi-empirical and theoretical relations to describe ITR variation by the electric field, which will be important for thermal management of current and future technologies.

Yüksek ısı yayılım değerleri olan yeni nesil mikro/nano elektronik cihazların geliştirilmesinin önündeki engel termal yönetim olarak değerlendirilmektedir. Bileşen boyutları nano boyutlara düştüğünde, yüzey/hacim oranındaki artış, arayüzey termal direncinin (ITR) ısı transfer davranışı üzerinde büyük etki yaratmasına yol açar. Mevcut çalışma, ITR'ı moleküler düzeyde karakterize etmeye ve nano-ölçekli sistemler için akıllı termal yönetim kavramlarını keşfetmeye odaklanmaktadır. Sırayla, katı kalınlığının ITR üzerindeki etkisi araştırıldı ve ısıl iletkenlik üzerindeki boyut bağımlılığını yaratan fonon spektrumu değişimi aynı zamanda ITR üzerinde de bir boyut bağımlılığı yarattığı bulundu. Daha sonra, uygulanan homojen ve/veya homojen olmayan elektrik alan ile su ve çeşitli katılar arasındaki ısı transferinin aktif ve lokal manipülasyonu incelendi. Su molekülleri, elektrik alan kaynaklı oryantasyon polarizasyonu ve sıvı dielektroforesize (LDEP) maruz kaldığında, ITR'deki azalma ve termal iletkenlikteki artış nedeniyle ısı transferinde önemli bir artış meydana geldi. Ek olarak, birbiri içine geçen elektrotların (IDE'ler) ısı yayan yüzeye gömüldüğü bir arayüzeye lokalleştirilmiş ısı transferi kontrol tekniği önerildi. IDE'ler, yalnızca elektrot yüzeyinin yakınında bir elektrik alan gradyanı yarattı ve bu katı/sıvı arayüzrey enerjisini artıran ve neredeyse ITR'yi ortadan kaldıran yüzeye yakın su dipolleri üzerindeki LDEP kuvvetlerinin oluşmasıyla sonuçlandı. Son olarak, mevcut ve gelecekteki teknolojilerin termal yönetimi için önemli olan, elektrik alana göre ITR varyasyonunu tanımlamak için yarı ampirik ve teorik ilişkiler geliştirildi.