Forskere opdager en ny metode til at sprede varme i elektroniske enheder

Kontrol af varmestrømmen gennem halvledermaterialer er en vigtig udfordring i udviklingen af ​​mindre og hurtigere computerchips, højtydende solpaneler, og bedre lasere og biomedicinsk udstyr.

For første gang, et internationalt team af forskere ledet af en forsker ved University of California, Riverside har ændret energispektret for akustiske fononer - elementære excitationer, også omtalt som kvasi-partikler, der spreder varme gennem krystallinske materialer som en bølge-ved at begrænse dem til nanometer-skala halvlederstrukturer. Resultaterne har vigtige implikationer i den termiske styring af elektroniske enheder.

Anført af Alexander Balandin, Fremtrædende professor i elektroteknik og computingteknik og UC præsidentformandsprofessor i UCR's Bourns College of Engineering, forskningen er beskrevet i et papir offentliggjort torsdag, 10. november kl. i journalen Naturkommunikation . Papiret har titlen "Direkte observation af begrænsede akustiske fononpolarisationsgrener i fritstående nanotråde."

Holdet brugte halvleder nanotråde fra Gallium Arsenide (GaAs), syntetiseret af forskere i Finland, og en billeddannelsesteknik kaldet Brillouin-Mandelstam light scattering spectroscopy (BMS) for at studere fonons bevægelse gennem de krystallinske nanostrukturer. Ved at ændre størrelsen og formen på GaAs nanostrukturer, forskerne var i stand til at ændre energispektret, eller spredning, af akustiske fononer. BMS -instrumentet, der blev brugt til denne undersøgelse, blev bygget i UCR's Phonon Optimized Engineered Materials (POEM) Center, som er instrueret af Balandin.

Kontrol af fononspredning er afgørende for at forbedre varmefjernelse fra elektroniske nanoskalaenheder, som er blevet den største vejspærring for at tillade ingeniører at fortsætte med at reducere deres størrelse. Det kan også bruges til at forbedre effektiviteten af ​​termoelektrisk energiproduktion, Sagde Balandin. I det tilfælde, faldende termisk ledningsevne med fononer er fordelagtigt for termoelektriske enheder, der genererer energi ved at anvende en temperaturgradient på halvledere.

"Årevis, den eneste påtænkte metode til ændring af nanostrukturers varmeledningsevne var via akustisk fononspredning med nanostrukturgrænser og grænseflader. Vi demonstrerede eksperimentelt, at ved rumligt at begrænse akustiske fononer i nanotråde kan man ændre deres hastighed, og den måde, de interagerer med elektroner, magnoner, og hvordan de bærer varme. Vores arbejde skaber nye muligheder for at indstille termiske og elektroniske egenskaber for halvledermaterialer, "Sagde Balandin.