[發明專利]一種基于分子動力學（MD）液-固界面模型的液-固界面熱導率求解方法

在審

• 申請號: 202110282491.3
• 申請日: 2021-03-16
• 公開（公告）號: CN115081169A
• 公開（公告）日: 2022-09-20
• 發明（設計）人: 王振宇;孫尚維;冉然
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F119/08
• 代理公司: 北京遠大卓悅知識產權代理有限公司 11369
• 代理人: 卞靜靜

本發明涉及納米尺度液?固界面傳熱領域，公開了一種基于分子動力學(MD)液?固界面模型的液?固界面熱導率求解方法。一種分子動力學(MD)液?固界面模型，包括：上下兩部分原子層，上部分是模擬液體介質的液體原子層建模模型，下部分是模擬固體基板的固體原子層建模模型；下部分包括：固體基板下三分之一部分的固定原子層、固體基板中部三分之一部分的熱源層、固體基板上三分之一部分的傳導層。一種液?固界面熱導率求解方法：對數處理液體統計溫度?時間坐標，線性擬合對數關系得到擬合函數斜率，根據牛頓冷卻定律等公式求解界面熱導率。本發明所涉及的MD模型降低了對仿真算力的要求，所涉及的求解方法降低了測量誤差，提高了求解精度。

技術領域

本發明涉及納米尺度界面傳熱領域，具體涉及一種基于分子動力學(MD) 液-固界面模型的液-固界面熱導率求解方法。

背景技術

隨著微電子芯片中電子電路尺寸的減小和集成密度的增加，產生的熱量也相應增加，內部集成電路界面處面臨很大的熱流密度挑戰，有效的冷卻解決方案至關重要。由于器件尺寸較小，熱源和散熱器之間的傳熱效率受其界面特性的影響很大。研究界面處的傳熱機理對于改善電子設備的散熱問題有很強的指導價值，界面熱導率的研究在納米級傳熱中起著重要甚至主導的作用。納米尺度液-固界面的熱傳輸在微電子芯片液冷散熱、噴霧冷卻等領域中非常重要。現有的求解液-固界面的分子動力學模型和方法依賴于固-液-固三介質模型和液體中溫度梯度的測量，MD模型體系復雜對算力要求比較高，所使用的計算方法更容易帶來誤差。非常有必要研究一種新的、有效的、簡便的方法對液-固界面熱導率進行求解。

發明內容

為此，本發明介紹了一種新的方法探測液-固界面處的熱傳輸，該方法依賴于特有的液-固兩介質MD模型，縮減了MD模型體系的原子數量，降低了仿真對算力的要求。該求解方法不需要依賴液體中溫度梯度的測量，降低了測量誤差，提高了求解精度。

為了實現上述目的，本發明提供如下技術方案：

根據本發明的第一方面，一種分子動力學(MD)液-固界面模型，包括：上下兩部分原子層，上部分是模擬液體介質的液體原子層建模模型，下部分是模擬固體基板的固體原子層建模模型；下部分包括：固體基板下三分之一部分的固定原子層、固體基板中部三分之一部分的熱源層、固體基板上三分之一部分的傳導層。

進一步地，上述分子動力學(MD)液-固界面模型是三維空間立體結構模型。在x方向和y方向上的尺寸是相等的，均為29nm。z方向是液體介質和固體基板相堆疊的方向。

進一步地，上述液體原子層建模模型在z方向上的尺寸為2nm，上述固體原子層建模模型在z方向上的尺寸為4.5nm。

進一步地，液體原子層中原子相互作用關系使用液-液原子鍵合勢能函數進行描述，液體原子層和固體原子層之間的原子相互作用關系使用液-固原子鍵合勢能函數進行描述。固體原子層中原子相互作用關系使用固-固原子鍵合勢能函數進行描述。所述液體介質包括但不限于水(H₂O)、氬(Ar)流體材料，所述固體基板材料包括但不限于硅(Si)、石墨(C)和銅(Cu)。

進一步地，固體基板下三分之一部分的固定原子層用來固定整個固體基板中的原子不發生相對位移；固體基板中部三分之一部分的熱源層用來模擬實際工作中的熱源，持續產生熱量，以上傳到液體介質中；固體基板上三分之一部分的傳導層介于固體基板熱源層和液體介質之間，用來將固體基板熱源層產生的熱量穩定地傳遞到液體介質層。

根據本發明的第二方面，一種液-固界面熱導率求解方法，包括以下步驟：

步驟1：在熱源中注入能量，運行仿真，統計液體介質溫度T(t)隨時間t的變化情況，記錄(t,T(t))數據點集；

步驟2：界面處的熱流密度可以通過以下公式計算：