CONDUCTIVIDAD TÉRMICA EN METALES, SEMICONDUCTORES, DIELÉCTRICOS Y MATERIALES AMORFOS / Thermal Conductivity in Metals, Semiconductors, Dielectrics and Amorphous Materials

Resumen

Se estudia la física de la conductividad térmica y sus aspectos más importantes en una variedad de materiales. Laconductividad térmica es influenciada por diferentes mecanismos de dispersión de fonones o electrones, los cuales limitanel transporte de energía térmica en el sólido. La conductividad térmica a una temperatura cercana al 80% de la temperaturade fundición es elevada en metales (∼300 W/mK) y en semiconductores (∼22 W/mK); es baja en dieléctricos (∼6 W/mK) yes muy baja en materiales amorfos (∼1,5 W/mK). En particular, en materiales amorfos la muy baja conductividad térmica esconsecuencia del desorden atómico y de la ocurrencia de procesos de dispersión asociados a la existencia de potencialesde pozo doble asimétricos y a la presencia de modos vibracionales localizados. El propósito de este estudio es revisar lasteorías existentes para explicar la conductividad térmica en sólidos y así identificar aspectos o procesos físicos relevantesen el régimen de muy altas temperaturas y antes de la temperatura de fundición, que nos permita articular las conclusionesen un referencial que nos sirva de guía para la especificación y preparación de materiales que puedan ser usados en laelaboración de la nueva generación de barreras térmicas. Nuestro interés se restringe al estudio de la conductividad térmicaen sólidos dieléctricos a muy altas temperaturas, en donde hemos encontrado que la contribución de los fonones con uncamino libre medio del orden de las dimensiones de las constantes de la red es muy importante y en algunos casos tambiénse logra identificar una contribución relevante por parte de los electrones y/o fonones localizados (fractones localizados).

ABSTRACT

We studied the physics underlying thermal conductivity and the most important thermal properties in a myriad of materials.Thermal conductivity is determined by different phonons or electron scattering mechanisms that limit the transport ofthermal energy inside the solid. For the sake of the analysis, thermal conductivity close to 80% of melting point in metalsis elevated (~300 W/mK) and low in semiconductors (~22 W/mK); is lower in dielectrics (~6 W/mK) and is very low inamorphous materials (~1,5 W/mK). The very low thermal conductivity in amorphous materials is a consequence of theatomic disorder, the occurrence of scattering processes associated with the existence of asymmetric double-well potentialand localized vibrational modes. The purpose of this study is to review existing theories explaining the thermal conductivityof solids and so identify issues or relevant physical processes with regard to conditions of very high temperature and nearto the melting point that could be important when studying thermal conductivity. This would allow us to place the findingsin a framework that could guide the functionalization and preparation of materials that can be used in the elaboration of thenew generation of thermal barrier coatings. Our interest is restricted to the study of thermal conductivity at very hightemperatures in dielectric solids, where we found that the contribution of phonons with a free path of the order of aninteratomic spacing is very important and in some cases we also found relevant the contribution of electrons and/orlocalized phonons (fractons).Keywords: Thermal conductivity, Phonons, Electrons, Fractons, Localized phonons, Thermal barriers coating.