Undersøgelse afslører hemmeligheder ved væskelignende varmestrøm i fast halvleder på nanoskala

Forskere anvender den samme "hydrodynamiske transportmodel", der bruges til at studere strømning i væsker for at forklare varmetransport i en fast halvleder, med potentielle konsekvenser for design af højhastighedstransistorer og lasere.

Termisk billeddannelse af små nanoskala halvledervarmekilder afslørede detaljer om hvirvler af varmebærende objekter kaldet fononer.

De nye fund har potentielt vigtige konsekvenser for "termisk krydstale, "hvor flere varmekilder ved siden af ​​hinanden påvirker systemets samlede temperatur, hindrer ydeevnen. Forskerne brugte en teknik kaldet termoflektering med fuldfeltstermorefleksion til direkte at visualisere temperaturændringer, der produceres af ultra-små varmekilder, guldstrimler dannet oven på halvlederen indium gallium arsenid.

Forskningen vedrører fonons afgørende rolle, kvantemekaniske objekter, eller "kvasipartikler, "der beskriver, hvordan vibrationer bevæger sig gennem et materiales krystalstruktur. Fononerne siges at være" varmebærere "i faste materialer.

"Det er første gang, at sådanne hydrodynamiske virkninger indirekte observeres for varmespredning i et fast stof, "sagde Ali Shakouri, Purdue Universitets Mary Jo og Robert L. Kirk Direktør for Birck Nanotechnology Center og professor i elektrisk og computerteknik. "Mens strukturer kaldet hvirvler er almindelige i væskestrømme som vand eller luft, dette er første gang, vi har set, at de kan være til stede inde i faste stoffer til fononstrømning i det typiske halvleder indium gallium arsenid, som bruges i højhastighedstransistorer og lasere. "

Fundene er detaljeret i et forskningsartikel, der blev vist den 17. januar i Naturkommunikation .

"Den observerede termiske krydstalsreduktion har vigtige implikationer i designet af elektroniske og optoelektroniske enheder i nanoskala, "sagde Purdue postdoktoral forskningsassistent Amirkoushyar Ziabari, papirets hovedforfatter. "Da størrelsen på elektroniske og optoelektroniske enheder bliver mindre, der bliver flere og flere enheder pakket ind i et mindre område, så den termiske krydstale mellem disse enheder bliver vigtig. At kende den nøjagtige termiske adfærd i nabolaget og et par mikron fra varmekilder ville hjælpe med at designe bedre state-of-the-art enheder med hensyn til ydeevne, hastighed, termisk pålidelighed, og så videre."

Forskerne fandt ud af, at den reducerede termiske krydstale er forårsaget af hvirvler, der genereres nær kanten af ​​varmekilderne.

"Dette ligner hvirvlerne, der observeres ved kanten af ​​en forhindring placeret inde i en strøm af luft eller vand, såsom bag en flyvinge, "Sagde Shakouri.

Den gældende lov om varmeledning, kendt som Fourier-loven eller varmediffusionsligningen, forudsiger ikke nøjagtigt termisk transport for enheder på nanoskalaen. Fordi Fourier -diffusionsligningen ikke forklarer varmetransporten på disse skalaer, denne transportordning kaldes ikke-diffusiv.

"Da størrelsen på elektroniske og optoelektroniske enheder bliver mindre, det er vigtigt at overveje denne ikke-diffusive adfærd ved design og optimering af sådanne små enheder, "Sagde Ziabari." Disse nye målinger viser, at ved nanoskalaer, varmespredning har interessant 'væske-lignende' adfærd. "

Konventionelle metoder tager ikke højde for hvirvler af varmetransport, der findes på nanoskalaen.

"Vorticitet bliver kun vigtig, når den karakteristiske kildedimension er sammenlignelig med den hydrodynamiske længdeskala på omkring 150 nanometer, " han sagde.

Fourier -teorien overvurderer væsentligt den eksperimentelt observerede temperatur en kort afstand fra varmelegeme.

"Den overraskende effekt var, at temperaturen falder meget hurtigere, end hvad Fourier -teorien forudsagde, "Sagde Shakouri." Inden for en afstand af 1 eller 2 mikrometer fra en lille varmekilde-en linje omkring 100 nanometer bred-kan temperaturen være en tredjedel til en fjerdedel, hvad Fourier-teorien forudsiger. "

Termoreflektans termisk billeddannelsesmetode gør det muligt for forskere at oprette kort over temperaturstigning ved langt højere opløsning end ellers muligt ved hjælp af lys i det synlige område.