Ontdekking op nanoschaal kan helpen oververhitting in elektronica af te koelen

Een team van natuurkundigen van CU Boulder heeft het mysterie achter een verbijsterend fenomeen in het nano-rijk opgelost: waarom sommige ultrakleine warmtebronnen sneller afkoelen als je ze dichter bij elkaar zet. De bevindingen, vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences (PNAS), zou op een dag de technische industrie kunnen helpen bij het ontwerpen van snellere elektronische apparaten die minder oververhit raken.

“Vaak is warmte een uitdagende overweging bij het ontwerpen van elektronica. Je bouwt een apparaat en ontdekt dan dat het sneller opwarmt dan gewenst”, zegt co-auteur Joshua Knobloch, postdoctoraal onderzoeksmedewerker bij JILA, een gezamenlijk onderzoeksinstituut tussen CU Boulder en de Nationaal Instituut voor Standaarden en Technologie (NIST). “Ons doel is om de fundamentele fysica te begrijpen, zodat we toekomstige apparaten kunnen ontwerpen om de warmtestroom efficiënt te beheren.”

Het onderzoek begon met een onverklaarbare observatie: in 2015 werden onderzoekers onder leiding van natuurkundigen Margaret Murnane en Henry Kapteyn van JILA waren aan het experimenteren met metalen staven die vele malen dunner waren dan de breedte van een mensenhaar op siliconenbasis. Toen ze die staven met een laser verhitten, gebeurde er iets vreemds.

“Ze gedroegen zich heel contra-intuïtief”, zei Knobloch. “Deze warmtebronnen op nanoschaal voeren de warmte meestal niet efficiënt af. Maar als je ze dicht bij elkaar pakt, koelen ze veel sneller af.”

Nu weten de onderzoekers waarom het gebeurt.

In de nieuwe studie gebruikten ze computergebaseerde simulaties om de doorgang van warmte uit hun staven van nanoformaat te volgen. Ze ontdekten dat wanneer ze de warmtebronnen dicht bij elkaar plaatsten, de trillingen van de energie die ze produceerden op elkaar begonnen te kaatsen, de warmte wegstrooide en de staven afkoelde.

De resultaten van de groep wijzen op een grote uitdaging bij het ontwerpen van de volgende generatie kleine apparaten, zoals microprocessors of kwantumcomputerchips: wanneer je krimpt tot zeer kleine schaal, gedraagt ​​​​warmte zich niet altijd zoals je denkt dat het zou moeten.

Atoom voor atoom

De overdracht van warmte in apparaten is belangrijk, voegde de onderzoekers eraan toe. Zelfs minieme defecten in het ontwerp van elektronica, zoals computerchips, kunnen ervoor zorgen dat de temperatuur stijgt, wat slijtage aan een apparaat veroorzaakt. Terwijl technologiebedrijven ernaar streven om steeds kleinere elektronica te produceren, zullen ze meer dan ooit moeten letten op fononen – trillingen van atomen die warmte transporteren in vaste stoffen.

“Warmtestroom omvat zeer complexe processen, waardoor het moeilijk te beheersen is”, zei Knobloch. “Maar als we kunnen begrijpen hoe fononen zich op kleine schaal gedragen, kunnen we hun transport op maat maken, waardoor we efficiëntere apparaten kunnen bouwen.”

Om dat te doen, hebben Murnane en Kapteyn en hun team van experimentele natuurkundigen hun krachten gebundeld met een groep theoretici onder leiding van Mahmoud Hussein, professor aan de Ann en HJ Smead afdeling Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek. Zijn groep is gespecialiseerd in het simuleren of modelleren van de beweging van fononen.

“Op atomaire schaal komt de aard van warmteoverdracht in een nieuw licht naar voren”, zegt Hussein, die ook een beleefdheidsafspraak heeft bij de afdeling Natuurkunde.

De onderzoekers recreëerden in wezen hun experiment van enkele jaren eerder, maar deze keer volledig op een computer. Ze modelleerden een reeks siliciumstaven, naast elkaar gelegd als de lamellen in een treinspoor en verwarmden ze.

De simulaties waren zo gedetailleerd, zei Knobloch, dat het team het gedrag van elk atoom in het model – miljoenen in totaal – van begin tot eind kon volgen.

“We verlegden echt de grenzen van het geheugen van de Summit Supercomputer bij CU Boulder,” zei hij.

warmte sturen

De techniek wierp zijn vruchten af. De onderzoekers ontdekten bijvoorbeeld dat wanneer ze hun siliciumstaven ver genoeg uit elkaar plaatsen, warmte de neiging had om op een voorspelbare manier uit die materialen te ontsnappen. De energie lekte uit de staven en in het materiaal eronder en verdween in alle richtingen.

Toen de tralies echter dichter bij elkaar kwamen, gebeurde er iets anders. Terwijl de hitte van die bronnen zich verspreidde, dwong het die energie in feite om intenser weg te stromen van de bronnen – als een menigte mensen in een stadion die tegen elkaar aandringen en uiteindelijk uit de uitgang springen. Het team noemde dit fenomeen ‘directionele thermische kanalisatie’.

“Dit fenomeen verhoogt het transport van warmte naar het substraat en weg van de warmtebronnen”, zei Knobloch.

De onderzoekers vermoeden dat ingenieurs op een dag dit ongewone gedrag zouden kunnen aanboren om beter grip te krijgen op hoe warmte in kleine elektronica stroomt – die energie langs een gewenst pad sturen, in plaats van het wild en vrij te laten lopen.

Vooralsnog zien de onderzoekers de nieuwste studie als wat wetenschappers uit verschillende disciplines kunnen doen als ze samenwerken.

“Dit project was zo’n opwindende samenwerking tussen wetenschap en techniek – waarbij geavanceerde computationele analysemethoden ontwikkeld door de groep van Mahmoud van cruciaal belang waren voor het begrijpen van nieuw materiaalgedrag dat eerder door onze groep was ontdekt met behulp van nieuwe extreem ultraviolette kwantumlichtbronnen”, zei Murnane, ook een professor in natuurkunde.

Andere co-auteurs van CU Boulder op het nieuwe onderzoek zijn Hossein Honarvar, een postdoctoraal onderzoeker in lucht- en ruimtevaarttechniek en JILA en Brendan McBennett, een afgestudeerde student aan JILA. Voormalige JILA-onderzoekers Travis Frazer, Begoña Abad en Jorge Hernandez-Charpak droegen ook bij aan het onderzoek.