Foreslået mekanisme for grænsefladeenergioverførsel og eksperimentel skematisk. Kredit: Natur nanoteknologi (2020). DOI:10.1038/s41565-020-00794-z
Et forskningsgennembrud fra University of Virginia School of Engineering demonstrerer en ny mekanisme til at kontrollere temperaturen og forlænge levetiden af elektroniske og fotoniske enheder såsom sensorer, smartphones og transistorer.
Opdagelsen, fra UVAs eksperimenter og simuleringer i termoteknisk forskningsgruppe, udfordrer en grundlæggende antagelse om varmeoverførsel i halvlederdesign. I enheder, elektriske kontakter dannes ved overgangen mellem et metal og et halvledende materiale. Traditionelt, materiale- og enhedsingeniører har antaget, at elektronenergi bevæger sig over dette kryds gennem en proces kaldet ladningsinjektion, sagde gruppeleder Patrick Hopkins, professor i maskin- og rumfartsteknik med høflighedsansættelser i materialevidenskab og teknik og fysik.
Ladningsinjektion antyder, at med strømmen af den elektriske ladning, elektroner hopper fysisk fra metallet ind i halvlederen, tager deres overskudsvarme med sig. Dette ændrer den elektriske sammensætning og egenskaber af de isolerende eller halvledende materialer. Kølingen, der går hånd i hånd med ladningsinjektion, kan forringe enhedens effektivitet og ydeevne betydeligt.
Hopkins' gruppe opdagede en ny varmeoverførselsvej, der omfatter fordelene ved afkøling forbundet med ladningsinjektion uden nogen af ulemperne ved, at elektronerne fysisk bevæger sig ind i halvlederenheden. De kalder denne mekanisme ballistisk termisk injektion.
Som beskrevet af Hopkins' rådgiver John Tomko, en ph.d. studerende i materialevidenskab og teknik:"Elektronen kommer til broen mellem dets metal og halvlederen, ser en anden elektron over broen og interagerer med den, overfører sin varme, men bliver på sin egen side af broen. Det halvledende materiale absorberer meget varme, men antallet af elektroner forbliver konstant."
"Evnen til at afkøle elektriske kontakter ved at holde ladningstæthederne konstante giver en ny retning inden for elektronisk køling uden at påvirke enhedens elektriske og optiske ydeevne, " sagde Hopkins. "Evnen til selvstændigt at optimere optisk, elektrisk og termisk opførsel af materialer og enheder forbedrer enhedens ydeevne og levetid."
Tomkos ekspertise inden for lasermetrologi - måling af energioverførsel på nanoskala - afslørede ballistisk termisk injektion som en ny vej til selvkøling af enheden. Tomkos måleteknik, mere specifikt optisk laserspektroskopi, er en helt ny måde at måle varmeoverførsel på tværs af metal-halvledergrænsefladen.
"Tidligere metoder til måling og observation kunne ikke nedbryde varmeoverførselsmekanismen separat fra ladningsinjektion, " sagde Tomko.
For deres eksperimenter, Hopkins' forskerhold udvalgte cadmiumoxid, et gennemsigtigt el-ledende oxid, der ligner glas. Cadmiumoxid var et pragmatisk valg, fordi dets unikke optiske egenskaber er velegnede til Tomkos laserspektroskopi-målemetode.
Cadmiumoxid absorberer perfekt melleminfrarøde fotoner i form af plasmoner, kvasipartikler sammensat af synkroniserede elektroner, der er en utrolig effektiv måde at koble lys til et materiale på. Tomko brugte ballistisk termisk injektion til at flytte lysbølgelængden, ved hvilken perfekt absorption opstår, i det væsentlige tuning af de optiske egenskaber af cadmiumoxid gennem injiceret varme.
"Vores observationer af tuning gør det muligt for os at sige definitivt, at varmeoverførsel sker uden at bytte elektroner, " sagde Tomko.
Tomko undersøgte plasmonerne for at udtrække information om antallet af frie elektroner på hver side af broen mellem metallet og halvlederen. På denne måde Tomko fangede målingen af elektronernes placering før og efter metallet blev opvarmet og afkølet.
Holdets opdagelse lover også for infrarøde sensorteknologier. Tomko's observations reveal that the optical tuning lasts as long as the cadmium oxide remains hot, keeping in mind that time is relative—a trillionth rather than a quadrillionth of a second.
Ballistic thermal injection can control plasmon absorption and therefore the optical response of non-metal materials. Such control enables highly efficient plasmon absorption at mid-infrared length. One benefit of this development is that night vision devices can be made more responsive to a sudden, intense change in heat that would otherwise leave the device temporarily blind.
"The realization of this ballistic thermal injection process across metal/cadmium oxide interfaces for ultrafast plasmonic applications opens the door for us to use this process for efficient cooling of other device-relevant material interfaces, " Hopkins said.
Tomko first-authored a paper documenting these findings. Natur nanoteknologi published the team's paper, Long-lived Modulation of Plasmonic Absorption by Ballistic Thermal Injection, on November 9; the paper was also promoted in the journal editors' News and Views. Det Natur nanoteknologi paper adds to a long list of publications for Tomko, who has co-authored more than 30 papers and can now claim first-authorship of two Natur nanoteknologi papers as a graduate student.
The research paper culminates a two-year, collaborative effort funded by a U.S. Army Research Office Multi-University Research Initiative. Jon-Paul Maria, professor of materials science and engineering at Penn State University, is the principal investigator for the MURI grant, which includes the University of Southern California as well as UVA. This MURI team also collaborated with Josh Caldwell, associate professor of mechanical engineering and electrical engineering at Vanderbilt University.
The team's breakthrough relied on Penn State's expertise in making the cadmium oxide samples, Vanderbilt's expertise in optical modeling, the University of Southern California's computational modeling, and UVA's expertise in energy transport, charge flow, and photonic interactions with plasmons at heterogeneous interfaces, including the development of a novel ultrafast-pump-probe laser experiment to monitor this novel ballistic thermal injection process.