Termiske bølger observeret i halvledermaterialer

En undersøgelse offentliggjort i Videnskab fremskridt rapporter om den uventede observation af termiske bølger i germanium, et halvledermateriale, for første gang. Dette fænomen kan muliggøre en væsentlig forbedring af ydeevnen af ​​vores elektroniske enheder i en nær fremtid. Undersøgelsen ledes af forskere fra Institute of Materials Science i Barcelona (ICMAB, CSIC) i samarbejde med forskere fra Universitat Autònoma de Barcelona, og University of Cagliari.

Varme, som vi kender det, stammer fra vibrationer af atomer, og overføres ved diffusion ved omgivelsestemperaturer. Desværre, det er ret svært at kontrollere, og fører til simple og ineffektive strategier til manipulation. Det er derfor, for eksempel, store mængder restvarme kan ophobes i vores computere, mobiltelefoner og, generelt, de fleste elektroniske enheder.

Imidlertid, hvis varme blev transporteret gennem bølger, såsom lys, det ville tilbyde nye alternativer til at kontrollere det, især gennem bølgernes unikke og iboende egenskaber.

Termiske bølger er til dato kun blevet observeret i få materialer, såsom fast helium eller, for nylig, i grafit. Nu, undersøgelsen offentliggjort i Videnskab fremskridt af forskere fra Institute of Materials Science i Barcelona (ICMAB, CSIC) i samarbejde med forskere fra Universitat Autònoma de Barcelona, og University of Cagliari, rapporter om observation af termiske bølger på fast germanium, et halvledermateriale, der typisk bruges i elektronik, ligner silicium, og ved stuetemperatur. "Det var ikke forventet at støde på disse bølgelignende effekter, kendt som anden lyd, på denne type materiale, og under disse forhold, " siger Sebastián Reparaz, ICMAB -forsker ved gruppen af ​​nanostrukturerede materialer til optoelektronik og energihøst (NANOPTO) og leder af denne undersøgelse.

Observationen fandt sted, når man studerede den termiske respons af en germaniumprøve under påvirkning af lasere, frembringer en højfrekvent oscillerende varmebølge på dens overflade. Forsøgene viste, at i modsætning til hvad man hidtil har troet, varme forsvandt ikke ved diffusion, men det forplantede sig ind i materialet gennem termiske bølger.

Bortset fra selve observationen, i undersøgelsen, forskere afslører tilgangen til at låse op for observation af termiske bølger, eventuelt i ethvert materialesystem.

Hvad er anden lyd, og hvordan kan den observeres i ethvert materiale

Først observeret i 1960'erne på fast helium, termisk transport gennem bølger, kendt som anden lyd, har været et tilbagevendende emne for forskere, der gentagne gange har forsøgt at påvise dets eksistens i andre materialer. Nylige vellykkede demonstrationer af dette fænomen på grafit har revitaliseret dens eksperimentelle undersøgelse.

"Anden lyd er det termiske regime, hvor varme kan forplante sig i form af termiske bølger, i stedet for det ofte observerede diffusive regime. Denne type bølgelignende termisk transport har mange af fordelene ved bølger, inklusive interferens og diffraktion", siger ICMAB -forsker Sebastián Reparaz.

"Bølgelignende effekter kan låses op ved at køre systemet i et hurtigt varierende temperaturfelt. Med andre ord, et hurtigt varierende temperaturfelt tvinger udbredelsen af ​​varme i det bølgelignende regime" forklarer Reparaz, og tilføjer, "Den interessante konklusion af vores arbejde er, at disse bølgelignende effekter potentielt kan observeres af de fleste materialer ved en tilstrækkelig stor modulationsfrekvens af temperaturfeltet. Og, hvad der er endnu mere interessant, dens observation er ikke begrænset til nogle specifikke materialer."

Anvendelser af anden lyd i en nær fremtid

"De mulige anvendelser af anden lyd er ubegrænsede", siger Sebastián Reparaz. For at opnå disse applikationer, imidlertid, vil kræve en dyb forståelse af måderne at låse op for denne termiske udbredelse på et givet materiale. At være i stand til at kontrollere varmeudbredelsen gennem bølgernes egenskaber åbner nye måder at designe de kommende generationer af termiske enheder, på samme måde som den allerede etablerede udvikling for lys. "Specielt, det andet lydtermiske regime kunne bruges til at genoverveje, hvordan vi håndterer spildvarme", tilføjer han.

Fra et teoretisk synspunkt, "disse resultater gør det muligt at forene den nuværende teoretiske model, som indtil nu mente, at materialer, hvor denne type bølgelignende adfærd blev observeret (såsom grafit) var meget forskellige fra de halvledermaterialer, der i øjeblikket bruges til fremstilling af elektroniske chips (såsom silicium og germanium) "siger F. Xavier Álvarez, forsker ved UAB. "Nu kan alle disse materialer beskrives ved hjælp af de samme ligninger. Denne observation etablerer en ny teoretisk ramme, der måske i en ikke alt for fjern fremtid muliggør en væsentlig forbedring af ydeevnen af ​​vores elektroniske enheder, " tilføjer Álvarez.