Alle retninger er ikke skabt ens for nanoskala varmekilder

Termiske overvejelser er hurtigt ved at blive en af ​​de mest alvorlige designbegrænsninger inden for mikroelektronik, især på submikronskala længder. En undersøgelse af forskere fra University of Illinois i Urbana-Champaign har vist, at termiske standardmodeller vil føre til det forkerte svar i et tredimensionelt varmeoverførselsproblem, hvis varmeelementets dimensioner er i størrelsesordenen en mikron eller mindre .

"Når materialer krymper, reglerne for varmeoverførsel ændres også, "forklarede David Cahill, professor i materialevidenskab og teknik i Illinois. "Vores nuværende forståelse af termisk transport i nanoskala er ikke nuanceret nok til kvantitativt at forudsige, hvornår standardteori ikke virker. Dette kan påvirke designet af højeffektive RF-enheder, der er meget udbredt i telekommunikationsindustrien-f.eks. 4G trådløs infrastruktur. Transistorafstanden i RF-enheder nærmer sig hurtigt længdeskalaer, hvor teori baseret på diffusion af varme ikke vil være gyldig, og de ingeniørmodeller, der i øjeblikket bruges, forudsiger ikke nøjagtigt enhedens driftstemperatur. Temperaturen er en nøglefaktor for at forudsige mellemtid til fejl. "

"Vores forskning fokuserer på at forstå fysikken i termisk transport på submikronlængde-skalaer i nærvær af en grænseflade, "forklarede Richard Wilson, hovedforfatter til undersøgelsen offentliggjort i Naturkommunikation . "Vores undersøgelse fokuserede på en række forskellige krystaller, der har kontrollerede forskelle i termiske transportegenskaber, såsom Si, dopet Si, og SiGe -legeringer, "Sagde Wilson." Vi dækkede disse krystaller med en tynd metalfilm, opvarmet overfladen med en laserstråle, og registrerede derefter temperaturudviklingen af ​​prøven.

"På længdeskalaer, der er kortere end krystalets phonon-middelfrie veje, varme transporteres ballistisk, ikke diffust. Grænseflader mellem materialer komplicerer yderligere varmeoverførselsproblemet ved at tilføje yderligere termisk modstand. "

Forskere fandt ud af, at når laserstrålens radius, der blev brugt til at opvarme de metalbelagte krystaller, var over ti mikron, forudsigelserne fremsat ved at antage varme transporteres diffust matchede de eksperimentelle observationer. Imidlertid, når radius nærmede sig en mikron, diffusiv teori forudsagde mængden af ​​energi, der transporteres væk fra den opvarmede overflade.

"Vi opdagede fundamentale forskelle i, hvordan varme transporteres over korte versus lange afstande. Fourier -teori, som antager, at varme transporteres ved diffusion, forudsiger, at en kubisk krystal som silicium vil bære varme lige godt i alle retninger. Vi demonstrerede, at varme på korte længde-skalaer ikke bæres lige godt i alle retninger. Ved at måle prøveoverfladens temperatur som funktion af afstanden fra midten af ​​det opvarmede område, vi var i stand til at bestemme, hvor langt varmen vandrede parallelt med overfladen, og udlede det, når varmeapparatets dimensioner er små, signifikant mindre varme føres parallelt med overfladen end Fourier -teorien forudsiger, "Sagde Wilson.

Wilson og Cahill undersøgte også grænsefladers effekt på nanoskala termisk transport.

"Det har været velkendt i 75 år, at tilstedeværelsen af ​​en grænse tilføjer en termisk grænsemodstand til varmeoverførselsproblemet, men det er altid blevet antaget, at denne grænsemodstand var lokaliseret til grænsefladen og uafhængig af termiske transportegenskaber for det underliggende materiale, "Tilføjede Cahill." Vores eksperimenter viser, at disse antagelser generelt ikke er gyldige. Især for krystaller med defekter, grænsemodstanden er fordelt og stærkt afhængig af defektkoncentrationen. "

Wilson og Cahill gav også en teoretisk beskrivelse af deres resultater, der kan bruges af enhedsingeniører til bedre at styre varme og temperatur i nanoskalaenheder.