Substrate melting during laser heating of nanoscale metal films

We investigate heat transfer mechanisms relevant to metal films of nanoscale thickness deposited on a silicon (Si) substrate coated by a silicon oxide (SiO2) layer and exposed to laser irradiation. Such a setup is commonly used in the experiments exploring self and directed assembly of metal films that melt when irradiated by laser and then evolve on time scale measured in nanoseconds. We show that in a common experimental setting, not only the metal but also the SiO2 layer may melt. Our study of the effect of the laser parameters, including energy density and pulse duration, shows that melting of the substrate occurs on spatial and temporal scales that are of experimental relevance. Furthermore, we discuss how the thicknesses of metal and of the substrate itself influence the maximum depth and liquid lifetime of the melted SiO2 layer. In particular, we find that there is a minimum thickness of SiO2 layer for whichthis layer melts and furthermore, the melting occurs only for metal films of thickness in a specified range. In the experiments, substrate melting is of practical importance since it may significantly modify the evo-lution of the deposited nanoscale metal films or other geometries on nanoscale.Peer ReviewedPostprint (published version

Memory and nonlocal effects of heat transport in a spherical nanoparticle

In this paper a mathematical model describing the heat transport in a spherical nanoparticle subject to Newton heating at its surface is presented. The governing equations involve a phonon hydrodynamic equation for the heat flux and the classical energy equation that relates the heat flux and the temperature. Assuming radial symmetry the model is reduced to two partial differential equation, one for the radial component of the flux and one for the temperature. We solve the model numerically by means of finite differences. The resulting temperature profiles show characteristic wave-like behaviour consistent with the non Fourier components in the hydrodynamic equation.Postprint (published version

Solution method for the time-fractional hyperbolic heat equation

In this article, we propose a method to solve the time-fractional hyperbolic heat equation. We first formulate a boundary value problem for the standard hyperbolic heat equation in a finite domain and provide an analytical solution by means of separation of variables and Fourier series. Then, we consider the same boundary value problem for the fractional hyperbolic heat equation. The fractional problem is solved using three different definitions of the fractional derivative: the Caputo fractional derivative and two recently defined alternative versions of this derivative, the Caputo–Fabrizio and the Atangana–Baleanu. A closed form of the solution is provided for each case. Finally, we compare the solutions of the fractional and the standard problem and show numerically that the solution of the standard hyperbolic heat equation can be retrieved from the solution of the fractional equation in the limit ¿¿2, where ¿ represents the exponent of the fractional derivativePeer ReviewedPostprint (author's final draft

Stress effects of silica particles in a semiconductor package molding compound

The stresses induced on a silicon chip encased in an epoxy compound are considered due to absorption of moisture and the presence of silica particles in the coating. A range of different approaches are considered including a one-dimensional model for the curvature due to the absorption of water in a bi-lateral sheet, numerical simulations for the stress at the molding compound-silicon die interface and a two-dimensional model in the complex plane.Preprin

Beyond the classical Stefan problem

In this thesis we develop and analyse mathematical models describing phase change phenomena linked with novel technological applications. The models are based on modifications to standard phase change theory. The mathematical tools used to analyse such models include asymptotic analysis, similarity solutions, the Heat Balance Integral Method and standard numerical techniques such as finite differences. In chapters 2 and 3 we study the melting of nanoparticles. The Gibbs-Thomson relation, accounting for melting point depression, is coupled to the heat equations for the solid and liquid and the associated Stefan condition. A perturbation approach, valid for large Stefan numbers, is used to reduce the governing system of partial differential equations to a less complex one involving two ordinary differential equations. Comparison between the reduced system and the numerical solution shows good agreement. Our results reproduce interesting behaviour observed experimentally such as the abrupt melting of nanoparticles. Standard analyses of the Stefan problem impose constant physical properties, such as density or specific heat. We formulate the Stefan problem to allow for variation at the phase change and show that this can lead to significantly different melting times when compared to the standard formulation. In chapter 4 we study a mathematical model describing the solidification of supercooled liquids. For Stefan numbers larger than unity the classical Neumann solution provides an analytical expression to describe the solidification. For Stefan numbers equal or smaller than unity, the Neumann solution is no longer valid. Instead, a linear relationship between the phase change temperature and the front velocity is often used. This allows solutions for all values of the Stefan number. However, the linear relation is an approximation to a more complex, nonlinear relationship, valid for small amounts of supercooling. We look for solutions using the nonlinear relation and demonstrate the inaccuracy of the linear relation for large supercooling. Further, we show how the classical Neumann solution significantly over-predicts the solidification rate for values of the Stefan number near unity. The Stefan problem is often reduced to a 'one-phase' problem (where one of the phases is neglected) in order to simplify the analysis. When the phase change temperature is variable it has been claimed that the standard reduction loses energy. In chapters 5 and 6, we examine the one-phase reduction of the Stefan problem when the phase change temperature is time-dependent. In chapter 5 we derive a one-phase reduction of the supercooled Stefan problem, and test its performance against the solution of the two-phase model. Our model conserves energy and is based on consistent physical assumptions, unlike one-phase reductions from previous studies. In chapter 6 we study the problem from a general perspective, and identify the main erroneous assumptions of previous studies leading to one-phase reductions that do not conserve energy or, alternatively, are based on non-physical assumptions. We also provide a general one-phase model of the Stefan problem with a generic variable phase change temperature, valid for spherical, cylindrical and planar geometries.En aquesta tesi desenvolupem i analitzem models matemàtics que descriuen processos de transició de fase vinculats a noves tecnologies. Els models es basen en modificacions de la teoria estàndard de canvis de fase. Les tècniques matemàtiques per resoldre els models es basen en l'anàlisi asimptòtic, solucions autosimilars, el mètode de la integral del balanç de la calor i mètodes numèrics estàndards com ara el mètode de les diferències finites. En els capítols 2 i 3 estudiarem la transició solid-liquid d'una nanopartícula, acoblant la relació de Gibbs-Thomson, que descriu la depressió de la temperatura de fusió en una superfície corba, amb l'equació de la calor per la fase sòlida i líquida, i la condició de Stefan. Mitjançant el mètode de pertorbacions, per a valors grans del nombre de Stefan, el problema d'equacions en derivades parcials inicial és reduït a un sistema més senzill de dues equacions diferencials ordinàries. La solució del sistema reduït concorda perfectament amb la solució numèrica del sistema inicial d'equacions en derivades parcials. Els resultats confirmen la transició ultra ràpida de sòlid a líquid observada en experiments amb nanopartícules. Els anàlisis estàndards del problema de Stefan consideren propietats físiques com la densitat i el calor específic constants en la fase sòlida i líquida. En aquesta tesi, formularem el problema de Stefan relaxant la condició de densitat constant, el que portarà a diferències molt significatives en els temps totals de fusió al comparar-los amb els temps obtinguts mitjançant la formulació habitual del problema de Stefan. En el capítol 4 estudiarem un model matemàtic que descriu la solidificació de líquids sota-refredats. Per nombres de Stefan més grans que la unitat la solució clàssica de Neumann dona una expressió analítica que descriu el procés. Per valors del nombre de Stefan més petits o iguals que la unitat, la solució de Neumann no es vàlida i, habitualment, per tal de trobar solucions en aquest règim, s'estableix una relació lineal entre la temperatura de canvi de fase i la velocitat del front de solidificació. Aquesta relació lineal però, és una aproximació per sota-refredaments moderats d'una relació no lineal més complexa. En aquest capítol, buscarem solucions del problema incorporant la relació no lineal al model, i demostrarem la poca precisió a l'utilitzar l'aproximació lineal. A més a més, veurem com la solució de Neumann sobreestima de manera significativa la velocitat del procés per valors propers a la unitat. Habitualment, el problema de Stefan és simplificat a un problema d'una fase (on una de les fases es desestimada) per tal de reduir la dificultat de l'anàlisi. En casos on la temperatura de transició de fase és variable s'ha reclamat que la simplificació d'una fase del problema no conserva l'energia. En els capítols 5 i 6, examinarem les diferents reduccions d'una fase del problema de Stefan en el cas on la temperatura de transició depèn del temps. En el capítol 5 derivarem el problema de Stefan d'una fase associat a la solidificació de líquids sota-refredats, i compararem la solució del sistema resultant amb la solució del problema de Stefan estàndard de dues fases. A diferència dels models d'una fase descrits en estudis previs, el nostre model reduït conserva l'energia i està basat en suposicions físiques consistents. En el capítol 6 estudiarem el problema des d'una perspectiva més general i identificarem les suposicions errònies d'estudis previs que porten a la no conservació de l'energia o que, alternativament, estan basades en suposicions físiques poc consistents. A més a més, derivarem un model d'una fase amb temperatura de canvi de fase variable, vàlid per geometries esfèriques, cilíndriques i planes

Mathematical modelling of fibre coating

Tecnical document resulting from the 158th European Study Group with Industry (ESGI)In this report we formulate and analyse a mathematical model describing the evo- lution of a thin liquid film coating a wire via an extrusion process. We consider the Navier-Stokes equations for a 2D incompressible Newtonian fluid coupled to the standard equation relating the fluid surface tension with the curvature. Taking the lubrication theory approximation and assuming steady state, the problem is reduced to a single third-order differential equation for the thin film height. An approximate analytical solu- tion for the final film height is derived and compared with a numerical solution obtained by means of a shooting scheme. Good agreement between the two solutions is obtained, resulting in a relative error of around 5%. The approximate solution reveals that the key control parameters for the process are the initial film height, the fluid surface tension and viscosity, the wire velocity and the angle of exit at the extruder.Preprin

How cortical waves drive fission of motile cells

Cytokinesis—the division of a cell into two daughter cells—is a key step in cell growth and proliferation. It typically occurs in synchrony with the cell cycle to ensure that a complete copy of the genetic information is passed on to the next generation of daughter cells. In animal cells, cytokinesis commonly relies on an actomyosin contractile ring that drives equatorial furrowing and separation into the two daughter cells. However, also contractile ring-independent forms of cell division are known that depend on substrate-mediated traction forces. Here, we report evidence of an as yet unknown type of contractile ring-independent cytokinesis that we termed wave-mediated cytofission. It is driven by self-organized cortical actin waves that travel across the ventral membrane of oversized, multinucleated Dictyostelium discoideum cells. Upon collision with the cell border, waves may initiate the formation of protrusions that elongate and eventually pinch off to form separate daughter cells. They are composed of a stable elongated wave segment that is enclosed by a cell membrane and moves in a highly persistent fashion. We rationalize our observations based on a noisy excitable reaction–diffusion model in combination with a dynamic phase field to account for the cell shape and demonstrate that daughter cells emerging from wave-mediated cytofission exhibit a well-controlled size.Postprint (published version

Nanomatemàtiques: modelització matemàtica a la nanoescala

En aquest article exposem tres problemes estudiats recentment al grup de Matemàtica Industrial del Centre de Recerca Matemàtica, en els quals l'aproximació del continu resulta vàlida per a descriure fenòmens a la nanoescala: 1. Transferència de calor en nanofluids: els resultats experimentals que confirmen l'increment de la capacitat de transferir calor dels nanofluids respecte dels fluids estàndard són sovint contradictoris. Mitjançant una anàlisi de capa límit mostrarem com el model matemàtic utilitzat en nombroses ocasions per justificar l'increment en la transferència de calor dels nanofluids preveu, de fet, una disminució d'aquesta propietat. 2. Fusió de nanopartícules: les nanopartícules mostren un increment abrupte de la velocitat de transició de fase a mesura que el seu radi decreix. Presentarem un model matemàtic que descriu aquest fenomen. El model preveu temps totals de transició sòlid-líquid que concorden amb les observacions experimentals. 3. Increment del flux d'un fluid en nanotubs de carboni (CNT): mostrarem que els resultats experimentals sobre l'increment de flux en nanotubs de carboni es poden explicar mitjançant les equacions estàndard de la dinàmica de fluids amb la incorporació d'una capa d'extinció (depletion layer) a la interfície entre el fluid i el sòlid.In this paper we discuss three problems recently studied within the Industrial Maths Research Group at the Centre de Recerca Matemàtica, where continuum theory may be applied to describe nanoscale phenomena: 1. Heat transfer with nanofluids: Experimental results concerning the remarkable heat transfer characteristics of nanofluids are at times contradictory. We apply a boundary layer analysis to show that a standard model which has been used by many authors to predict an improvement in heat transfer with increasing nanoparticle concentration in fact shows a decrease. 2. Nanoparticle melting: Nanoparticles often exhibit a sharp increase in melting rate as the size decreases. A mathematical model will be presented which predicts this phenomena and explains the experimentally observed abrupt melting of the smallest nanoparticles. 3. Enhanced flow in carbon nanotubes (CNTs): This model shows that the experimentally observed enhancement can be explained using standard flow equations but with a depletion layer between the liquid and solid interfaces. The results also provide one physical explanation for the Navierslip condition

A mathematical model for the energy stored in green roofs

A simple mathematical model to estimate the energy stored in a green roof is developed. Analytical solutions are derived corresponding to extensive (shallow) and intensive (deep) substrates. Results are presented for the surface temperature and energy stored in both green roofs and concrete during a typical day. Within the restrictions of the model assumptions the analytical solution demonstrates that both energy and surface temperature vary linearly with fractional leaf coverage, albedo and irradiance, while the effect of evaporation rate and convective heat transfer is non-linear. It is shown that a typical green roof is significantly cooler and stores less energy than a concrete one even when the concrete has a high albedo coating. Evaporation of even a few millimetres per day from the soil layer can reduce the stored energy by a factor of more than three when compared to an equivalent thickness concrete roof.Peer ReviewedPostprint (published version

Nanomatemàtiques: modelització matemàtica a la nanoescala

En aquest article exposem tres problemes estudiats recentment al grup de Matemàtica Industrial del Centre de Recerca Matemàtica, en els quals l'aproximació del continu resulta vàlida per a descriure fenòmens a la nanoescala: 1. Transferència de calor en nanofluids: els resultats experimentals que confirmen l'increment de la capacitat de transferir calor dels nanofluids respecte dels fluids estàndard són sovint contradictoris. Mitjançant una anàlisi de capa límit mostrarem com el model matemàtic utilitzat en nombroses ocasions per justificar l'increment en la transferència de calor dels nanofluids preveu, de fet, una disminució d'aquesta propietat. 2. Fusió de nanopartícules: les nanopartícules mostren un increment abrupte de la velocitat de transició de fase a mesura que el seu radi decreix. Presentarem un model matemàtic que descriu aquest fenomen. El model preveu temps totals de transició sòlid-líquid que concorden amb les observacions experimentals. 3. Increment del flux d'un fluid en nanotubs de carboni (CNT): mostrarem que els resultats experimentals sobre l'increment de flux en nanotubs de carboni es poden explicar mitjançant les equacions estàndard de la dinàmica de fluids amb la incorporació d'una capa d'extinció (depletion layer) a la interfície entre el fluid i el sòlid.Postprint (published version