Comprehensive study of simplified models for thermal sizeeffects induced by localized heating in crystalline solids

Yüksek performanslı nano ve mikroskala cihazlar, gelişmiş elektronik ve optik uygulamalarda giderek daha fazla kullanılmaktadır. Bu cihazların artan performansı, özellikle yerel ısıtma kaynaklı termal boyut etkileri nedeniyle, hassas termal karakterizasyonu kritik hâle getirmektedir. Isıtılan bölgelerin boyutları fononların ortalama serbest yoluna yaklaştığında, klasik difüzyonel ısı iletimi yetersiz kalmakta ve fonon tabanlı modellere ihtiyaç duyulmaktadır. Bu çalışma, yerel ısıtma sonucu oluşan termal boyut etkilerini analiz etmek amacıyla, Fonon Boltzmann Taşıma Denklemi'nin (BTE) çözümüne dayalı Sonlu Hacim Ayrık Yönler Yöntemi (FVDOM) ile Kinetik Kolektif Model'i (KCM) temel almaktadır. FVDOM ve KCM kullanılarak, Monte Carlo yönteminin rastlantısallığından ve aşırı sadeleştirilmiş varsayımlarından kaçınılmış; daha deterministik ve hassas çözümler elde edilmiştir. Ab-initio hesaplamalarla fonon özellikleri yüksek doğrulukla belirlenmiş, termal analizlerin doğruluğunu artırmıştır. KCM ve gri FVDOM, mikroskala ısı taşınımının modellenmesindeki elde ettikleri ve fonon özelliklerinin elde edilmesine uygunlukları açısından karşılaştırılmıştır. FVDOM, ağ bağımlılığı daha düşük olduğu için, termal yayılma direncine yönelik yarı-ampirik bir korelasyon geliştirilmesinde tercih edilmiştir. Ayrıca, AlGaN/GaN HEMT cihazında yerel ısıtma etkileri, gerçek ısı üretim profilleri ile modellenmiştir. Son olarak, sıcaklığa bağlı fonon özelliklerinin KCM'ye entegre edilmesiyle modelleme doğruluğu artırılmıştır. Elde edilen bulgular, yayınımsal olmayan ısı taşınımı ve sıcaklığa bağlı malzeme özelliklerinin, yeni nesil mikroskala cihazların güvenilir termal tasarımı için temel olduğunu ortaya koymaktadır.