材料的熱性質

設矽(密度2330 kg/m³,比熱700 J/(kg·K))室溫的熱導率為150 W/(m·K),聲子的平均速度為6000 m/s。由與氣體動力論同形式的式子 κ = (1/3)Cvl(C 為每單位體積的比熱)估算聲子的平均自由徑 l,最接近下列何者?

  1. A約15 nm
  2. B約5.1 nm
  3. C約46 nm
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正確答案:C. 約46 nm

每單位體積的比熱為 C = ρc = 2330×700 ≈ 1.63×10⁶ J/(m³·K)。l = 3κ/(Cv) = 3×150/(1.63×10⁶×6000) ≈ 4.6×10⁻⁸ m,約46 nm。約15 nm 是漏掉係數1/3而用 κ/(Cv) 的值,約5.1 nm 是把1/3乘在相反側而得 κ/(3Cv) 的值。這個估算是以單一速度與平均自由徑代表所有聲子的平均值,實際上平均自由徑在數百nm以上的低頻聲子也傳遞了許多熱。因此在厚度約100 nm的矽薄膜或奈米線中,表面的散射會使熱導率比塊材大幅下降。

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