Overfladebølger kan hjælpe nanostrukturerede enheder med at holde sig kølige

På grund af de fortsatte fremskridt i miniaturisering af silicium mikroelektroniske og fotoniske enheder, afkøling af enhedsstrukturer er stadig mere udfordrende. Konventionel varmetransport i bulkmaterialer er domineret af akustiske fononer, som er kvasipartikler, der repræsenterer materialets gittervibrationer, svarende til den måde, fotoner repræsenterer lysbølger. Desværre, denne type køling er ved at nå sine grænser i disse små strukturer.

Imidlertid, overfladeeffekter bliver dominerende, efterhånden som materialerne i nanostrukturerede enheder bliver tyndere, hvilket betyder, at overfladebølger kan give den nødvendige termiske transportløsning. Overfladefonon-polaritoner (SPhP'er) - hybridbølger sammensat af elektromagnetiske overfladebølger og optiske fononer, der udbreder sig langs overfladerne af dielektriske membraner - har vist særligt lovende, og et hold ledet af forskere fra Institute of Industrial Science, University of Tokyo har nu demonstreret og verificeret de varmeledningsevneforbedringer, som disse bølger giver.

"Vi genererede SPhP'er på siliciumnitridmembraner med forskellige tykkelser og målte disse membraners varmeledningsevne over brede temperaturområder, " siger hovedforfatter af undersøgelsen Yunhui Wu. "Dette gjorde det muligt for os at fastslå SPhP'ernes specifikke bidrag til den forbedrede termiske ledningsevne observeret i de tyndere membraner."

Holdet observerede, at den termiske ledningsevne af membraner med tykkelser på 50 nm eller mindre faktisk blev fordoblet, når temperaturen steg fra 300 K til 800 K (ca. 27 ° C til 527 ° C). I modsætning, ledningsevnen af ​​en 200 nm tyk membran faldt over det samme temperaturområde, fordi de akustiske fononer stadig dominerede i den tykkelse.

"Målinger viste, at den dielektriske funktion af siliciumnitrid ikke ændrede sig meget over det eksperimentelle temperaturområde, hvilket betød, at de observerede termiske forbedringer kunne tilskrives SPhP'ernes virkning, " forklarer Institute of Industrial Sciences Masahiro Nomura, seniorforfatter af undersøgelsen. "SPhP-udbredelseslængden langs membrangrænsefladen øges, når membrantykkelsen falder, som gør det muligt for SPhP'er at lede meget mere termisk energi end akustiske fononer, når de bruger disse meget tynde membraner."

Den nye kølekanal leveret af SPhP'erne kan således kompensere for den reducerede phonon termiske ledningsevne, der forekommer i nanostrukturerede materialer. SPhP'er forventes således at finde anvendelser inden for termisk styring af siliciumbaserede mikroelektroniske og fotoniske enheder.