Polaritons åbner en ny bane på halvledermotorvejen

På varmeoverførselsmotorvejen flyttes termisk energi ved hjælp af kvantepartikler kaldet fononer. Men på nanoskalaen af ​​nutidens mest banebrydende halvledere, fjerner disse fononer ikke nok varme. Det er derfor, Purdue University-forskere er fokuseret på at åbne en ny bane i nanoskala på varmeoverførselsmotorvejen ved at bruge hybride kvasipartikler kaldet "polaritoner."

Thomas Beechem elsker varmeoverførsel. Han taler højt og stolt om det, som en prædikant ved en genoplivning af et stort telt.

"Vi har flere måder at beskrive energi på," sagde Beechem, lektor i maskinteknik. "Når vi taler om lys, beskriver vi det i form af partikler, der kaldes 'fotoner'. Varme bærer også energi på forudsigelige måder, og vi beskriver disse energibølger som 'fononer'. Men nogle gange, afhængigt af materialet, vil fotoner og fononer komme sammen og lave noget nyt kaldet en 'polariton'. Det bærer energi på sin egen måde, adskilt fra både fotoner eller fononer."

Ligesom fotoner og fononer er polaritoner ikke fysiske partikler, du kan se eller fange. De er mere som måder at beskrive energiudveksling på, som om de var partikler.

Stadig uklar? Hvad med en anden analogi. "Fononer er som forbrændingskøretøjer, og fotoner er som elektriske køretøjer," sagde Beechem. "Polariton er en Toyota Prius. De er en hybrid af lys og varme og bevarer nogle af egenskaberne fra begge. Men de er deres egen specielle ting."

Polaritoner er blevet brugt i optiske applikationer - alt fra farvet glas til sundhedstests i hjemmet. Men deres evne til at flytte varme er stort set blevet ignoreret, fordi deres påvirkning kun bliver betydelig, når størrelsen af ​​materialer bliver meget lille. "Vi ved, at fononer udfører størstedelen af ​​arbejdet med at overføre varme," sagde Jacob Minyard, en Ph.D. studerende i Beechems laboratorium.

"Effekten af ​​polaritoner kan kun observeres på nanoskala. Men vi har aldrig haft behov for at adressere varmeoverførsel på det niveau indtil nu på grund af halvledere."

"Halvledere er blevet så utroligt små og komplekse," fortsatte han. "Folk, der designer og bygger disse chips, opdager, at fononer ikke effektivt spreder varme i disse meget små skalaer. Vores papir viser, at ved disse længdeskalaer kan polaritoner bidrage med en større del af termisk ledningsevne."

Deres forskning i polaritoner er blevet udvalgt som en udvalgt artikel i Journal of Applied Physics .

"Vi i varmeoverførselssamfundet har været meget materialespecifikke i at beskrive effekten af ​​polaritoner," sagde Beechem. "Nogen vil observere det i dette materiale eller ved den grænseflade. Det hele er meget forskelligt. Jacobs papir har fastslået, at dette ikke er en tilfældig ting. Polaritoner begynder at dominere varmeoverførslen på enhver overflade, der er tyndere end 10 nanometer. Det er dobbelt så stor som transistorerne på en iPhone 15."

Nu bliver Beechem virkelig fyret op. "Vi har stort set åbnet op for en hel ekstra vognbane på motorvejen. Og jo mindre skalaerne bliver, jo vigtigere bliver denne ekstra bane. Efterhånden som halvledere fortsætter med at skrumpe, er vi nødt til at tænke på at designe trafikstrømmen for at udnytte begge dele. baner:fononer og polaritoner."

Minyards papir ridser bare overfladen af, hvordan dette praktisk kan ske. Kompleksiteten af ​​halvledere betyder, at der er mange muligheder for at udnytte polariton-venlige designs. "Der er mange materialer involveret i chipfremstilling, fra selve silicium til dielektrikum og metaller," sagde Minyard. "Vejen frem for vores forskning er at forstå, hvordan disse materialer kan bruges til at lede varme mere effektivt, i erkendelse af, at polaritoner giver en helt ny bane til at flytte energi."

I erkendelse af dette ønsker Beechem og Minyard at vise chipproducenter, hvordan de kan inkorporere disse polariton-baserede nanoskala varmeoverførselsprincipper lige i det fysiske design af chippen – fra de involverede fysiske materialer til lagenes form og tykkelse.

Selvom dette arbejde er teoretisk nu, er fysiske eksperimenter meget i horisonten – og derfor er Beechem og Minyard glade for at være på Purdue.

"Varmeoverførselssamfundet her på Purdue er så robust," sagde Beechem. "Vi kan bogstaveligt talt gå ovenpå og tale med Xianfan Xu, som havde en af ​​de første eksperimentelle erkendelser af denne effekt. Så kan vi gå over til Flex Lab og spørge Xiulin Ruan om hans banebrydende arbejde inden for fononspredning. Og vi har faciliteterne her på Birck Nanotechnology Center for at bygge eksperimenter i nanoskala og bruge enestående måleværktøjer til at bekræfte vores resultater. Det er virkelig en forskerdrøm."

Flere oplysninger: Jacob Minyard et al., Materialeegenskaber, der styrer in-plane phonon-polariton termisk konduktans, Journal of Applied Physics (2023). DOI:10.1063/5.0173917

Journaloplysninger: Journal of Applied Physics

Leveret af Purdue University