Análise espaço-temporal de campos termoelásticos acoplados em silício reforçado com fibras anisotrópicas usando um método de autovalores

Resumo

Este estudo analisa campos termo-fotoelásticos acoplados em silício reforçado com fibras anisotrópicas, utilizando métodos de modo normal e autovalores. Os resultados mostram decaimento espacial e evolução do campo dependente do tempo, com forte sensibilidade à anisotropia. Mapas de calor ilustram a distribuição e localização dos campos.

Resumo

Este estudo investiga um sistema termo-fotoelástico acoplado em um meio semicondutor de silício reforçado com fibra anisotrópica, visando capturar a interação entre campos térmico, portador e mecânico. Esses materiais anisotrópicos reforçados com fibras desempenham um papel crucial em aplicações modernas de engenharia, incluindo dispositivos microeletrônicos e optoeletrônicos, tecnologias baseadas em laser, sensores e estruturas compósicas avançadas, onde propriedades direcionais e desempenho mecânico aprimorado são necessários. Eles são particularmente importantes no projeto de componentes semicondutores submetidos a cargas térmicas e ópticas, onde a previsão precisa do comportamento do campo acoplado é essencial para confiabilidade e otimização de desempenho. As equações governantes são formuladas com base no modelo físico acoplado e subsequentemente transformadas em uma forma adimensional para simplificar a análise e destacar a influência relativa dos parâmetros envolvidos. O problema é resolvido usando uma técnica de modo normal e reduzido a um sistema diferencial vetorial-matriz de primeira ordem, seguido por uma abordagem de autovalores para obter soluções analíticas que satisfazem as condições de contorno impostas dentro de um domínio semi-infinito. A análise numérica é realizada para examinar o efeito da variação temporal em todos os campos físicos, revelando forte atenuação espacial e comportamento acoplado governado por anisotropia e reforço de fibras. Representações de mapas de calor espaço-temporais são usadas para visualizar a evolução e localização dos campos, fornecendo insights físicos sobre as interações multifísicas e demonstrando a eficácia da abordagem analítica.

Introdução

A termo-fotoelasticidade emergiu como um importante campo multidisciplinar que descreve a interação entre efeitos térmicos, mecânicos e ópticos em materiais semicondutores sob excitação fototérmica. O acoplamento entre esses campos torna-se particularmente notável em aplicações modernas envolvendo aquecimento a laser e excitação óptica. Por exemplo, Saeed¹ investigou interações termo-fotoelásticas em semicondutores usando modelos hiperbólicos de duas temperaturas, demonstrando a importância dos efeitos de relaxamento térmico na previsão precisa do comportamento do sistema. A resposta termomecânica dos compósito....

Protocolo

Este estudo é baseado inteiramente em modelagem teórica e simulações numéricas e não envolve participantes humanos, sujeitos animais ou espécimes biológicos. Portanto, aprovação ética e consentimento informado não eram necessários.

Formulação matemática da fototermoelasticidade em meios anisotrópicos reforçados com fibras
O presente estudo considerou um semi-espaço semicondutor anisotrópico 2D reforçado por fibras submetido à excitação óptica superficial. O meio ocupava a região x ≥ 0, onde a fronteira em x = 0 representa a superfície exposta. O sistema de coordenadas f....

Resultados

Resultados Numéricos
Nesta seção, foram realizados cálculos numéricos para analisar o comportamento do sistema termo–fotoelástico acoplado de portadores em um meio semicondutor anisotrópico reforçado com fibras. O material considerado era o silício (Si), e seus parâmetros físicos e materiais estão listados na Tabela 1. Essas constantes materiais foram diretamente substituídas nas equações governantes e implementadas nos cálculos numéricos para avaliar.......

Discussão

Os resultados obtidos fornecem uma compreensão física clara sobre o comportamento termoelástico acoplado em meios semicondutores anisotrópicos reforçados com fibra. O presente estudo propõe uma estrutura analítica baseada em autovalores para investigar a interação entre carga térmica, geração de portadores e deformação elástica nesses meios. A resposta observada é fundamentalmente governada pelo forte acoplamento entre esses processos físicos. A absorção de energia óptica na fronteira le.......

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Software computacional (análise simbólica e numérica)	Wolfram Research	Wolfram Mathematica (Versão 12.0) foi utilizado	Usado para cálculo de autovalores, implementação de soluções analíticas e avaliação numérica
Ferramentas de visualização de dados (geração de contornos e mapas de calor)	Wolfram Research	O Wolfram Mathematica (Versão 12.0) foi usado para gerar gráficos de contorno 2D e mapas de calor espaço-temporais	Usado para gerar gráficos de contorno 2D e mapas de calor espaço-temporais
Conjunto de dados de parâmetros de material (propriedades dos semicondutores de silício)	Diversas fontes bibliográficas	N/A	Constantes físicas (elásticas, térmicas, relacionadas a portadores) usadas em computações (Tabela 1)
Computador pessoal/estação de trabalho	HP	N/A	Os cálculos eram realizados em um computador pessoal padrão rodando Windows OS com memória suficiente para simulações numéricas
Editor de equações	Microsoft  Word e MathType	N/A	Usado para formatação e apresentação de expressões matemáticas no manuscrito
Software de gerenciamento de referências	Elsevier	N/A	Usado para gerenciar referências e formatação de citações (estilo Vancouver)