Semi-analytical solution to the frequency-dependent Boltzmann transport equation for cross-plane heat conduction in thin films

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作者
Chengyun Hua,Austin J. Minnich
出处
期刊:Journal of Applied Physics [American Institute of Physics]
卷期号:117 (17) 被引量:83
标识
DOI:10.1063/1.4919432
摘要

Cross-plane heat transport in thin films with thicknesses comparable to the phonon mean free paths is of both fundamental and practical interest for applications such as light-emitting diodes and quantum well lasers. However, physical insight is difficult to obtain for the cross-plane geometry due to the challenge of solving the Boltzmann equation in a finite domain. Here, we present a semi-analytical series expansion method to solve the transient, frequency-dependent Boltzmann transport equation that is valid from the diffusive to ballistic transport regimes and rigorously includes the frequency-dependence of phonon properties. Further, our method is more than three orders of magnitude faster than prior numerical methods and provides a simple analytical expression for the thermal conductivity as a function of film thickness. Our result enables a straightforward physical understanding of cross-plane heat conduction in thin films.

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