Et nyt værktøj måler afstanden mellem fononkollisioner

Dagens computerchips pakker milliarder af små transistorer på en plade af silicium inden for en fingernegl. Hver transistor, kun snesevis af nanometer brede, fungerer som en switch, der sammen med andre, udfører en computers beregninger. Som tætte skove af transistorer signalerer frem og tilbage, de afgiver varme - som kan stege elektronikken, hvis en chip bliver for varm.

Producenter anvender almindeligvis en klassisk diffusionsteori til at måle en transistors temperaturstigning i en computerchip. Men nu tyder et eksperiment af MIT -ingeniører på, at denne fælles teori ikke holder ved ekstremt små længder. Gruppens resultater indikerer, at diffusionsteorien undervurderer temperaturstigningen i nanoskala varmekilder, såsom en computerchips transistorer. En sådan fejlberegning kan påvirke pålideligheden og ydeevnen af ​​chips og andre mikroelektroniske enheder.

"Vi bekræftede, at når varmekilden er meget lille, du kan ikke bruge diffusionsteorien til at beregne temperaturstigning på en enhed. Temperaturstigning er højere end diffusionsforudsigelse, og inden for mikroelektronik, du vil ikke have, at det skal ske, "siger professor Gang Chen, leder af Institut for Maskinteknik på MIT. "Så dette kan ændre den måde, folk tænker på, hvordan man modellerer termiske problemer i mikroelektronik."

Gruppen, herunder kandidatstuderende Lingping Zeng og institutprofessor Mildred Dresselhaus fra MIT, Yongjie Hu fra University of California i Los Angeles, og Austin Minnich fra Caltech, har offentliggjort sine resultater i denne uge i tidsskriftet Naturnanoteknologi .

Phonon betyder fri stifordeling

Chen og hans kolleger kom til deres konklusion efter at have udtænkt et eksperiment for at måle varmebærers "gennemsnitlige frie sti" -fordeling i et materiale. I halvledere og dielektrikere, varme strømmer typisk i form af fononer - bølgelignende partikler, der transporterer varme gennem et materiale og oplever forskellige spredninger under deres forplantning. En fonons gennemsnitlige frie vej er den afstand, en fonon kan bære varme, før den kolliderer med en anden partikel; jo længere en fonons gennemsnitlige frie vej er, jo bedre den er i stand til at bære, eller adfærd, varme.

Da den gennemsnitlige frie vej kan variere fra phonon til phonon i et givet materiale - fra flere nanometer til mikrometer - udviser materialet en gennemsnitlig fri stifordeling, eller rækkevidde. Chen, Carl Richard Soderberg Professor i Power Engineering ved MIT, begrundede, at måling af denne fordeling ville give et mere detaljeret billede af et materiales varmebærende evne, gør det muligt for forskere at konstruere materialer, for eksempel, ved hjælp af nanostrukturer til at begrænse den afstand, som fononer rejser.

Gruppen søgte at etablere en ramme og et værktøj til at måle den gennemsnitlige frie stifordeling i en række teknologisk interessante materialer. Der er to termiske transportordninger:diffust regime og quasiballistisk regime. Førstnævnte returnerer massens termiske ledningsevne, som maskerer den vigtige gennemsnitlige frie stifordeling. At studere fonons gennemsnitlige frie stier, forskerne indså, at de ville have brug for en lille varmekilde sammenlignet med den gennemsnitlige fononvej for at få adgang til det kvasiballistiske regime, da større varmekilder i det væsentlige ville maskere individuelle fononers effekter.

Oprettelse af nanoskala varmekilder var en betydelig udfordring:Lasere kan kun fokuseres til et sted på størrelse med lysets bølgelængde, omkring en mikron - mere end 10 gange længden af ​​den gennemsnitlige frie vej i nogle fononer. For at koncentrere laserlysets energi til et endnu finere område, teamet mønstrede aluminiumspunkter i forskellige størrelser, fra titalls mikrometer ned til 30 nanometer, på tværs af siliciumoverfladen, germanium -legering af silicium, gallium arsenid, galliumnitrid, og safir. Hver prik absorberer og koncentrerer en lasers varme, som derefter flyder gennem det underliggende materiale som fononer.

I deres eksperimenter, Chen og hans kolleger brugte mikrofabrikation til at variere størrelsen på aluminiumspunkterne, og målte forfaldet af en pulserende laser, der blev reflekteret fra materialet - et indirekte mål for varmespredning i materialet. De fandt ud af, at efterhånden som varmekildens størrelse bliver mindre, temperaturstigningen afviger fra diffusionsteorien.

De tolker det som metalprikkerne, som er varmekilder, blive mindre, fononer, der forlader prikkerne, har en tendens til at blive "ballistiske, "skyde på tværs af det underliggende materiale uden spredning. I disse tilfælde, sådanne fononer bidrager ikke meget til et materiales varmeledningsevne. Men for meget større varmekilder, der virker på det samme materiale, fononer har en tendens til at kollidere med andre fononer og spredes oftere. I disse tilfælde, den diffusionsteori, der i øjeblikket er i brug, bliver gyldig.

Et detaljeret transportbillede

For hvert materiale, forskerne planlagde en fordeling af gennemsnitlige frie veje, rekonstrueret fra varmestørrelsesafhængig varmeledningsevne af et materiale. Samlet set, de observerede det forventede nye billede af varmeledning:Mens den almindelige, klassisk diffusionsteori kan anvendes på store varmekilder, det fejler for små varmekilder. Ved at variere størrelsen på varmekilder, Chen og hans kolleger kan kortlægge, hvor langt fononer kører mellem kollisioner, og hvor meget de bidrager til varmeledning.

Zeng siger, at gruppens eksperimentelle setup kan bruges til bedre at forstå, og muligvis tune, et materiales varmeledningsevne. For eksempel, hvis en ingeniør ønsker et materiale med visse termiske egenskaber, den gennemsnitlige frie stifordeling kunne tjene som en plan for at designe specifikke "spredningscentre" i materialet - steder, der fremkalder fononkollisioner, spreder varmespredning igen, hvilket fører til reduceret varmebærende evne. Selvom sådanne effekter ikke er ønskelige for at holde en computerchip kølig, de er egnede i termoelektriske enheder, som omdanner varme til elektricitet. For sådanne applikationer, materialer, der er elektrisk ledende, men termisk isolerende, ønskes.

"Det vigtige er, vi har et spektroskopi -værktøj til at måle den gennemsnitlige frie stifordeling, og at distribution er vigtig for mange teknologiske anvendelser, "Siger Zeng.