Anormaler Energietransfer in kristallinen Materialien vom Standpunkt der diskreten Mechanik und der Kontinuumstheorie

• Antragsteller: Professor Dr. Wolfgang H. Müller
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 405631704

Dieses Projekt widmet sich theoretischen und experimentellen Studien anormalen Energietransfers durch Wärmeleitung in kristallinen Gittern. Auf der Nanoskala zeigen Materialien spezielle thermomechanische Eigenschaften, die hauptsächlich auf der Diskretheit der atomaren Struktur beruhen. Ein Verständnis des Energietransfers durch Wärmeleitung auf dieser Skala ist essentiell, um mikroskopische und makroskopische Beschreibung von Festkörpern zu verbinden. Neueste technologische Entwicklungen machen es möglich, Eigenschaften niedrigdimensionaler Objekte, wie Nanotubes, Graphen oder Fullerene, zu untersuchen. Während der letzten Jahrzehnte wurde gezeigt, dass in niedrigdimensionalen Strukturen, wo die freie Phononweglänge klein im Vergleich zur Strukturgröße ist, die Art der Wärmeausbreitung ballistisch und nicht diffusiv ist. Elektrische und mechanische Eigenschaften niedrigdimensionaler, kristalliner Strukturen wurden in den letzten Jahrzehnten in Anwendungen in mikroelektronischen Geräten von Interesse. Probleme der Wärmeleitung sind aufgrund von Problemen bei Kühlung und Design innovativer thermisch belasteter Komponenten von großer Wichtigkeit. Die Miniaturisierung elektronischer Geräte und Schaltkreise hat die Eigenerwärmung als kritischen Faktor hinsichtlich des Wirkungsgrades und der Zuverlässigkeit neu zu entwickelnder Systeme ins Spiel gebracht. Um die Physik des Energietransports durch Wärmeleitung auf diesem Komponentenlevel zu verstehen, ist es notwendig, verfeinerte Modelle zu betrachten. Das motiviert das neuerliche Interesse an der Untersuchung thermischer Eigenschaften von Strukturen wie Graphene und Carbonanotubes, wo solche Anomalien hervorstechen. Das Ziel dieses Antrags besteht in der Untersuchung anormalen Energietransports durch Wärmeleitung in niedrigdimensionalen Strukturen mit Hilfe analytischer Zugänge und Simulationen, die dabei helfen, Experimente zu designen und durchzuführen, um so im Umkehrschluss die theoretischen Modellvorhersagen zu validieren.Folgendes wird untersucht:- Formulierung diskreter und kontinuierlicher Modelle anormalen Energietransfers in 1D und quasi 1D kristallinen Materialien.- Beschreibung anormalen Energietransfers in 2D Materialien einfacher Struktur.- Entwicklung von 2D Gitter- und Kontinuumsmodellen.- Simulation des Energietransports durch Wärmeleitung in solchen Systemen mit diskreten und Kontinuumsverfahren.- Durchführung von Experimenten zur Ermittlung thermischer Parameter von Nanostrukturen (Graphene) im stationären Fall mit Ramanspektroskopie und AFM Thermosensorik.- Analoge Experimente im transienten Fall.- Vergleich und Interpretation experimenteller Daten mit Resultaten aus simulativen und analytischen Studien.Unsere Hauptziele:- Erstellung einer Theorie des Energietransports durch Wärmeleitung in Kristallen basierend auf First Principles.- Untersuchungen ihrer Konsistenz mit erweiterter Thermodynamik und phänomenologischen Theorien.- Experimenteller Test der Modelle

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Science Foundation
• Kooperationspartner: Dr. Alexey V. Porubov