Experimenteel platform dat wordt gebruikt om de stralingswarmteoverdracht te onderzoeken. (a) Schema van twee Si-microplaten opgehangen aan 706 µm lange balken en gemonteerd op een verwarmingsfase die hun temperatuur regelt. (b) Diagram van de warme en koude platen bedekt met SiO2 nanolagen en gescheiden door een vacuümopening g=10,7μm. Rasterelektronenmicroscoopbeeld van het (c) apparaat en (d) de close-up ervan op de rechthoekige doos in (c). Credit: Fysieke beoordelingsbrieven (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.186904
Onderzoekers uit Japan hebben hard gewerkt om het hoofd koel te houden – of in ieder geval – te voorkomen dat hun nano-apparaten oververhit raken. Door een klein laagje siliciumdioxide aan siliciumstructuren van microformaat toe te voegen, konden ze een significante toename laten zien in de snelheid van de warmteafvoer. Dit werk kan leiden tot kleinere en goedkopere elektronische apparaten die meer microschakelingen kunnen bevatten.
Nu consumentenelektronica steeds compacter wordt en toch over een grotere verwerkingskracht beschikt, is de noodzaak om restwarmte van microcircuits te beheren een groot probleem geworden.
Sommige wetenschappelijke instrumenten en machines op nanoschaal vereisen een zorgvuldige afweging van hoe plaatselijke warmte uit het apparaat wordt afgevoerd om schade te voorkomen.
Enige afkoeling vindt plaats wanneer warmte wordt uitgestraald als elektromagnetische golven, vergelijkbaar met hoe de kracht van de zon de aarde bereikt via het vacuüm van de ruimte. De snelheid van de energieoverdracht kan echter te laag zijn om de prestaties van gevoelige en dicht opeengepakte geïntegreerde elektronische schakelingen te beschermen.
Om de volgende generatie apparaten te kunnen ontwikkelen, moeten er mogelijk nieuwe benaderingen worden ontwikkeld om dit probleem van warmteoverdracht aan te pakken.
In een studie onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrievenOnderzoekers van het Institute of Industrial Science van de Universiteit van Tokio hebben laten zien hoe de snelheid van stralingswarmteoverdracht kan worden verdubbeld tussen twee siliciumplaten op microschaal, gescheiden door een kleine opening.
De sleutel was het gebruik van een coating van siliciumdioxide die een koppeling creëerde tussen de thermische trillingen van de plaat aan het oppervlak (fononen genoemd) en de fotonen (waaruit de straling bestaat).
“We konden zowel theoretisch als experimenteel aantonen hoe elektromagnetische golven werden opgewonden op het grensvlak van de oxidelaag, waardoor de snelheid van de warmteoverdracht werd verhoogd”, zegt Saeko Tachikawa, hoofdauteur van het onderzoek.
Door de kleine omvang van de lagen vergeleken met de golflengten van de elektromagnetische energie en de bevestiging ervan aan de siliciumplaat, die de energie zonder verlies transporteert, kon het apparaat de normale grenzen van warmteoverdracht overschrijden en dus sneller afkoelen.
Omdat de huidige micro-elektronica al op silicium is gebaseerd, kunnen de bevindingen van dit onderzoek gemakkelijk worden geïntegreerd in toekomstige generaties halfgeleiderapparaten.
“Ons werk geeft inzicht in mogelijke strategieën voor het beheer van warmtedissipatie in de halfgeleiderindustrie, samen met verschillende andere aanverwante gebieden zoals de productie van nanotechnologie”, zegt senior auteur Masahiro Nomura.
Het onderzoek helpt ook om een beter fundamenteel begrip te krijgen van hoe warmteoverdracht op nanoschaalniveau werkt, aangezien dit nog steeds een gebied van actief onderzoek is.
Meer informatie:
Saeko Tachikawa et al., Verbeterde thermische straling in het verre veld door een polaritonische golfgeleider, Fysieke beoordelingsbrieven (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.186904
Tijdschriftinformatie:
Fysieke beoordelingsbrieven
Geleverd door de Universiteit van Tokio
