Hydrodynamic thermal transport in silicon at temperatures ranging from 100 to 300 K
Beardo Ricol, Albert (Universitat Autònoma de Barcelona. Departament de Física)
Alajlouni, Sami (Purdue University. Birck Nanotechnology Center)
Sendra Molins, Lluc (Universitat Autònoma de Barcelona. Departament de Física)
Bafaluy Bafaluy, Javier (Universitat Autònoma de Barcelona. Departament de Física)
Camacho Castro, Juan (Universitat Autònoma de Barcelona. Departament de Física)
Ziabari, Amir Koushyar (Oak Ridge National Laboratory)
Xuan, Yi (Purdue University. Birck Nanotechnology Center)
Camacho Castro, Juan (Universitat Autònoma de Barcelona. Departament de Física)
Shakouri, Ali (Purdue University. Birck Nanotechnology Center)
Àlvarez Calafell, Francesc Xavier (Universitat Autònoma de Barcelona. Departament de Física)

Data:	2022
Descripció:	10 pàg.
Resum:	The temperature profile around nano- and microscale heat sources on silicon substrate is technologically important for many integrated circuit applications. Here we present full-field thermal imaging of heater lines and rings with different sizes at temperatures ranging from 100 to 300 K. We show significant deviations compared to Fourier's law which are both size and geometry dependent. This can be explained by a hydrodynamic model for heat transport in silicon based on the Guyer and Krumhansl equation using ab initio calculated parameters within the kinetic collective model framework. One of these parameters, the nonlocal length, is shown to quantitatively determine the situations where nonFourier behavior occurs. This length scale is some orders of magnitude smaller than the longest phonon mean free paths. Ballistic phonons are shown not to manifest directly in these experiments, thus indicating the failure of the multiscale relaxation time approximation. Furthermore, we discuss the differences between Hamiltonian/microscopic and entropic/mesoscopic strategies to address nanoscale heat transport, and the relations between phonon dynamics and thermodynamics. Finally, the nonequilibrium phonon distribution function is used to determine conditions under which hydrodynamic modeling can be used.
Ajuts:	Agencia Estatal de Investigación RTI2018-097876−B-C22
Drets:	Aquest material està protegit per drets d'autor i/o drets afins. Podeu utilitzar aquest material en funció del que permet la legislació de drets d'autor i drets afins d'aplicació al vostre cas. Per a d'altres usos heu d'obtenir permís del(s) titular(s) de drets.
Llengua:	Anglès
Document:	Article ; recerca ; Versió publicada
Matèria:	Heat transfer ; Thermal conductivity ; Nanostructures ; Hydrodynamic models
Publicat a:	Physical review B, Vol. 105, issue 16 (2022) , art 165303, ISSN 2469-9969

DOI: 10.1103/PhysRevB.105.165303

10 p, 1.3 MB

El registre apareix a les col·leccions:
Documents de recerca > Documents dels grups de recerca de la UAB > Centres i grups de recerca (producció científica) > Ciències > Grup de Propietats de Transport a la Nanoescala
Articles > Articles de recerca
Articles > Articles publicats