Forskere demonstrerer forbedret strålingsvarmeoverførsel for nanoenheder

Forskere fra Japan har arbejdet hårdt for at holde sig kolde - eller i det mindste - holde deres nanoenheder fra overophedning. Ved at tilføje en lille belægning af siliciumdioxid til siliciumstrukturer i mikrostørrelse, var de i stand til at vise en signifikant stigning i hastigheden af ​​afledt varme. Dette arbejde kan føre til mindre og billigere elektroniske enheder, der kan pakkes ind i flere mikrokredsløb.

Efterhånden som forbrugerelektronik bliver stadig mere kompakt, mens den stadig kan prale af øget processorkraft, er behovet for at håndtere spildvarme fra mikrokredsløb vokset til at blive en stor bekymring.

Nogle videnskabelige instrumenter og maskiner i nanoskala kræver omhyggelig overvejelse af, hvordan lokaliseret varme vil blive shuntet ud af enheden for at forhindre skade.

En vis afkøling opstår, når varme udstråles som elektromagnetiske bølger - svarende til hvordan solens kraft når Jorden gennem rummets vakuum. Imidlertid kan hastigheden af ​​energioverførsel være for langsom til at beskytte ydeevnen af ​​følsomme og tætpakkede integrerede elektroniske kredsløb.

For at den næste generation af enheder skal udvikles, skal der muligvis etableres nye tilgange for at løse dette problem med varmetransmission.

I en undersøgelse for nylig offentliggjort i tidsskriftet Physical Review Letters , viste forskere fra Institute of Industrial Science, University of Tokyo, hvordan hastigheden af ​​strålingsvarmeoverførsel kan fordobles mellem to mikroskala siliciumplader adskilt af et lille mellemrum.

Nøglen var at bruge en belægning af siliciumdioxid, der skabte en kobling mellem pladens termiske vibrationer ved overfladen (kaldet fononer) og fotonerne (som udgør strålingen).

"Vi var i stand til at vise både teoretisk og eksperimentelt, hvordan elektromagnetiske bølger blev exciteret ved grænsefladen af ​​oxidlaget, der øgede varmeoverførselshastigheden," siger hovedforfatter af undersøgelsen, Saeko Tachikawa.

Den lille størrelse af lagene sammenlignet med bølgelængderne af den elektromagnetiske energi og dens vedhæftning til siliciumpladen, som bærer energien uden tab, gjorde det muligt for enheden at overskride de normale grænser for varmeoverførsel og dermed køle hurtigere.

Fordi den nuværende mikroelektronik allerede er baseret på silicium, kan resultaterne af denne forskning nemt integreres i fremtidige generationer af halvlederenheder.

"Vores arbejde giver indsigt i mulige varmeafledningsstyringsstrategier i halvlederindustrien sammen med forskellige andre relaterede områder såsom nanoteknologisk fremstilling," siger seniorforfatter Masahiro Nomura.

Forskningen er også med til at etablere en bedre grundlæggende forståelse af, hvordan varmeoverførsel fungerer på nanoskalaniveau, da dette stadig er et område med aktiv forskning.

Flere oplysninger: Saeko Tachikawa et al., Enhanced Far-Field Thermal Radiation through a Polaritonic Waveguide, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.186904

Journaloplysninger: Physical Review Letters

Leveret af University of Tokyo