Molecular Dynamics Studies on Wetting Behavior of Silicon Surfaces and Heat Transfer Characteristics of Electrolyte Solution Filled Silicon Nano-Channels

Abstract

Silicon has always been of interest to researchers from various fields, especially the semiconductor industry. Silicon and silicon-based materials are frequently used in integrated circuits and micro/nano-electro-mechanical systems. Interfacial phenomena between phases is important for these applications. In this study, surface wetting and heat transfer at the solid/liquid interfacial region were investigated using the Molecular Dynamics method. The control of wetting was examined by changing silicon structure at single crystal and amorphous forms and was correlated with the surface coating thickness. Contact angles on both single crystal and amorphous surfaces were calculated. To understand the molecular regions affecting the contact angle, the near interface height parameter was defined as the distance from the surface. Then, interface densities and contact angles of single crystal and amorphous structures were calculated at each height parameter. We defined an effective range of intermolecular forces for the control of wetting. Second, heat transfer characteristics at water/silicon interfaces were examined. Solid/liquid interface is important to determine heat transfer at nanoscale. We focused on the influence of ionic conditions on heat transfer for a water-NaCl solution between two silicon walls. The surface charge density showed variation by ionic condition. We calculated surface charges naturally forming at the corresponding electrolyte concentration. With the increase in salinity, the electrolyte solution density increased and thermal conductivity decreased. Results showed good agreement with the experimental measurements. Additionally, we observed a 35% increase in heat transfer due to a decrease in interfacial thermal resistance by increasing ionic concentration to the highest salinity value of standard conditions. Heat transfer at solid/liquid interface characterized by Kapitza length was correlated with the salinity.

Silikon, özellikle yarı iletken endüstrisi başta olmak üzere çeşitli alanlardaki araştırmacıların ilgisini çekmiştir. Silikon ve silikon bazlı malzemeler, entegre devrelerde ve mikro/nano-elektro-mekanik sistemlerde sıklıkla kullanılır. Fazlar arasındaki arayüzey olayları bu uygulamalar için önemlidir. Bu çalışmada katı/sıvı arayüzey bölgesindeki yüzey ıslatma ve ısı transferi Moleküler Dinamik yöntemi kullanılarak araştırılmıştır. Islatmanın kontrolü, farklı silikon tek taneli ve amorf yüzeyler kullanılarak incelenmiş ve yüzey kaplama kalınlığı ile ilişkilendirilmiştir. Hem tek taneli hem de amorf yüzeylerin su damlacıklığı ile yaptığı temas açısı ölçülmüştür. Temas açısını etkileyen moleküler bölgeleri anlamak için, arayüz yükseklik parametresi yüzeyden uzaklık olarak tanımlandı. Daha sonra, her yükseklik parametresinde tek taneli ve amorf yapıların arayüz yoğunlukları ve temas açıları hesaplandı. Islanmanın kontrolü için etkili bir moleküller arası kuvvet aralığı tanımladık. İkinci olarak, su/silikon arayüzlerinde ısı transfer karakteristikleri incelendi. Nano boyutlarda ısı transferini belirlemek için katı/sıvı arayüz özellikleri önemlidir. İki silikon duvar arasına doldurulan su-NaCl çözeltisi için iyonik koşulların ısı transferi üzerindeki etkisine odaklandık. Yüzey yük yoğunluğu iyonik koşullara göre değişiklik gösterdiğinden, karşılık gelen elektrolit konsantrasyonunda doğal olarak oluşan yüzey yüklerini hesapladık. Tuzluluk artışı ile elektrolit çözeltisi yoğunluğu artmış ve termal iletkenlik azalmış olup sonuçlar ise deneysel ölçümlerle iyi uyum göstermiştir. Ayrıca, artan iyonik konsantrasyonu ile arayüzey ısıl direncinin azalması nedeniyle ısı transferinde % 35 artış gözlemledik. Katı/sıvı ara yüzeyindeki ısı transferi, tuzluluk değişimiyle ile ilişkilendirilen Kapitza uzunluğu ile karakaterize edilmiştir.