一种基于分子动力学（MD）液-固界面模型的液-固界面热导率求解方法技术

本发明专利技术涉及纳米尺度液

【技术实现步骤摘要】
一种基于分子动力学(MD)液
‑
固界面模型的液
‑
固界面热导率求解方法


[0001]本专利技术涉及纳米尺度界面传热领域，具体涉及一种基于分子动力学(MD) 液
‑
固界面模型的液
‑
固界面热导率求解方法。

技术介绍

[0002]随着微电子芯片中电子电路尺寸的减小和集成密度的增加，产生的热量也相应增加，内部集成电路界面处面临很大的热流密度挑战，有效的冷却解决方案至关重要。由于器件尺寸较小，热源和散热器之间的传热效率受其界面特性的影响很大。研究界面处的传热机理对于改善电子设备的散热问题有很强的指导价值，界面热导率的研究在纳米级传热中起着重要甚至主导的作用。纳米尺度液
‑
固界面的热传输在微电子芯片液冷散热、喷雾冷却等领域中非常重要。现有的求解液
‑
固界面的分子动力学模型和方法依赖于固
‑
液
‑
固三介质模型和液体中温度梯度的测量，MD模型体系复杂对算力要求比较高，所使用的计算方法更容易带来误差。非常有必要研究一种新的、有效的、简便的方法对液
‑
固界面热导率进行求解。

技术实现思路

[0003]为此，本专利技术介绍了一种新的方法探测液
‑
固界面处的热传输，该方法依赖于特有的液
‑
固两介质MD模型，缩减了MD模型体系的原子数量，降低了仿真对算力的要求。该求解方法不需要依赖液体中温度梯度的测量，降低了测量误差，提高了求解精度。
[0004]为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0005]根据本专利技术的第一方面，一种分子动力学(MD)液
‑
固界面模型，包括：上下两部分原子层，上部分是模拟液体介质的液体原子层建模模型，下部分是模拟固体基板的固体原子层建模模型；下部分包括：固体基板下三分之一部分的固定原子层、固体基板中部三分之一部分的热源层、固体基板上三分之一部分的传导层。
[0006]进一步地，上述分子动力学(MD)液
‑
固界面模型是三维空间立体结构模型。在x方向和y方向上的尺寸是相等的，均为29nm。z方向是液体介质和固体基板相堆叠的方向。
[0007]进一步地，上述液体原子层建模模型在z方向上的尺寸为2nm，上述固体原子层建模模型在z方向上的尺寸为4.5nm。
[0008]进一步地，液体原子层中原子相互作用关系使用液
‑
液原子键合势能函数进行描述，液体原子层和固体原子层之间的原子相互作用关系使用液
‑
固原子键合势能函数进行描述。固体原子层中原子相互作用关系使用固
‑
固原子键合势能函数进行描述。所述液体介质包括但不限于水(H2O)、氩(Ar)流体材料，所述固体基板材料包括但不限于硅(Si)、石墨(C)和铜(Cu)。
[0009]进一步地，固体基板下三分之一部分的固定原子层用来固定整个固体基板中的原子不发生相对位移；固体基板中部三分之一部分的热源层用来模拟实际工作中的热源，持
续产生热量，以上传到液体介质中；固体基板上三分之一部分的传导层介于固体基板热源层和液体介质之间，用来将固体基板热源层产生的热量稳定地传递到液体介质层。
[0010]根据本专利技术的第二方面，一种液
‑
固界面热导率求解方法，包括以下步骤：
[0011]步骤1：在热源中注入能量，运行仿真，统计液体介质温度T(t)随时间t的变化情况，记录(t,T(t))数据点集；
[0012]步骤2：界面处的热流密度可以通过以下公式计算：
[0013][0014]式中q是热流密度，A是垂直于热传导方向的固体基板的横截面面积，T(t) 是t时刻液体介质的温度，ρ
liquid
,V
liquid
分别是液体介质的比热容，密度和体积；
[0015]步骤3：根据牛顿冷却定律(G为界面热导率，T
solid
为固体基板中热源层的温度)和上式，给定边界条件T(0)＝T1(初始时刻液体介质温度)，两式消q求解微分方程可得：
[0016]T(t)＝(T1‑
T
solid
)e
‑
τt
+T
solid
[0017]其中所以l
high
为固体基板上液体介质层厚度；
[0018]步骤4：将T(t)～t关系表达式对数线性化，得公式：
[0019]ln(T
solid
‑
T(t))＝
‑
τt+ln(T
solid
‑
T1)
[0020]将数据点集(t,T(t))代入上式，绘制图像进行线性拟合，其中拟合函数的斜率值就是
‑
τ的值；
[0021]步骤5：将
‑
τ的值代入即可求界面热导率G的值。
[0022]本专利技术所述模型和方法具有如下优点：
[0023]基于液
‑
固两介质MD模型，相比于传统的固
‑
液
‑
固三介质MD模型，缩减了MD模型的原子数量，降低了建模难度，减小了对超级算力的依赖程度，节约了计算成本。基于温度
‑
时间依赖性求解界面热导率，相比于传统的温度
‑ꢀ
坐标依赖性求解方法，非必要统计液体中温度梯度，降低了数据统计难度，提高了数据统计精度，减小了计算误差。
附图说明
[0024]为了更清楚地说明本专利技术的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
[0025]本说明书所绘示的MD模型图只是结构示意图，其比例、大小均不代表真实的设定，真实的值在说明书中以数值的方式给出。本说明书所绘示的图和说明书中提到的数值，仅供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本专利技术可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本专利技术所能产生的
功效及所能达成的目的下，均应仍落在本专利技术所揭示的
技术实现思路
能涵盖的范围内。
[0026]图1为本专利技术中所述分子动力学(MD)液
‑
固界面模型结构示意图；
[0027]图2为本专利技术所述液
‑
固界面热导率求解方法的流程图；
[0028]图3为本专利技术所述液
‑
固界面热导率求解方法中公式关系图；
[0029]图4为以水
‑
硅界面MD模型为例的水层温度T(t)在热源作用下随仿真时间t的分布图，以及对数线性化图像及其拟合函数图像。
具体实施方式
[0030]以下由本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种分子动力学(MD)液
‑
固界面模型，其特征在于，包括：上下两部分原子层，上部分是模拟液体介质的液体原子层建模模型，下部分是模拟固体基板的固体原子层建模模型；下部分包括：固体基板下三分之一部分的固定原子层、固体基板中部三分之一部分的热源层、固体基板上三分之一部分的传导层。2.如权利要求1所述的分子动力学(MD)液
‑
固界面模型，其特征在于，该MD模型是三维空间立体结构模型，其在x方向和y方向上的尺寸是相等的，z方向是液体介质和固体基板相堆叠的方向。形成一个底面是正方形的长方体区域，液
‑
固界面所在平面与xOy平面相平行。3.如权利要求1所述的分子动力学(MD)液
‑
固界面模型，其特征在于，该MD模型中液体原子层中原子相互作用关系使用液
‑
液原子键合势能函数进行描述，液体原子层和固体原子层之间的原子相互作用关系使用液
‑
固原子键合势能函数进行描述。固体原子层中原子相互作用关系使用固
‑
固原子键合势能函数进行描述。具体的物质选用具体的经验势能函数进行描述，两种物质之间的势能相互作用参数使用洛伦兹
‑
贝特勒公式进行确定。4.如权利要求1所述的分子动力学(MD)液
‑
固界面模型，其特征在于，固体基板下三分之一部分的固定原子层用来固定整个固体基板中的原子不发生相对位移；固体基板中部三分之一部分的热源层用来模拟实际工作中的热源，持续产生热量，以上传到液体介质中；固体基板上三分之一部分的传导层介于固体基板热源层和液体介质之间，用来将固体基板热源层产生的热量稳定地传递到液体介质层。5.一种液
‑
固界面热导率求解方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：在权利要求1所述的固体基板中部三分之一部分的热源层中注入能量，运行仿真，统计液体介质温度T(t...

【专利技术属性】
技术研发人员：王振宇，孙尚维，冉然，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：