Oppervlaktegolven kunnen nanogestructureerde apparaten helpen koel te blijven

Vanwege de voortdurende vooruitgang in de miniaturisatie van micro-elektronische en fotonische apparaten van silicium, wordt het koelen van apparaatstructuren een steeds grotere uitdaging. Conventioneel warmtetransport in bulkmaterialen wordt gedomineerd door akoestische fononen, dit zijn quasideeltjes die de roostertrillingen van het materiaal vertegenwoordigen, vergelijkbaar met de manier waarop fotonen lichtgolven vertegenwoordigen. Helaas bereikt dit type koeling zijn grenzen in deze kleine structuren.

Oppervlakte-effecten worden echter dominant naarmate de materialen in nanogestructureerde apparaten dunner worden, wat betekent dat oppervlaktegolven de vereiste thermische transportoplossing kunnen bieden. Oppervlakte-fonon-polaritonen (SPhP’s) – hybride golven die zijn samengesteld uit elektromagnetische golven aan het oppervlak en optische fononen die zich voortplanten langs de oppervlakken van diëlektrische membranen – zijn veelbelovend gebleken, en een team onder leiding van onderzoekers van het Institute of Industrial Science, de Universiteit van Tokio hebben nu de thermische geleidbaarheidsverbeteringen aangetoond en geverifieerd die door deze golven worden geleverd.

“We hebben SPhP’s gegenereerd op siliciumnitridemembranen met verschillende diktes en de thermische geleidbaarheid van deze membranen gemeten over een breed temperatuurbereik”, zegt hoofdauteur van de studie Yunhui Wu. “Hierdoor konden we vaststellen welke specifieke bijdragen de SPhP’s hebben aan de verbeterde thermische geleidbaarheid die wordt waargenomen in de dunnere membranen.”

Het team merkte op dat de thermische geleidbaarheid van membranen met een dikte van 50 nm of minder daadwerkelijk verdubbelde wanneer de temperatuur steeg van 300 K naar 800 K (ongeveer 27 ° C tot 527 ° C). Daarentegen nam de geleidbaarheid van een 200 nm dik membraan af over hetzelfde temperatuurbereik omdat de akoestische fononen bij die dikte nog steeds domineerden.

“Metingen toonden aan dat de diëlektrische functie van siliciumnitride niet sterk veranderde in het experimentele temperatuurbereik, wat betekende dat de waargenomen thermische verbeteringen konden worden toegeschreven aan de werking van de SPhP’s”, legt Masahiro Nomura van het Institute of Industrial Science uit, senior auteur van de studie. “De SPhP-voortplantingslengte langs het membraangrensvlak neemt toe wanneer de membraandikte afneemt, waardoor SPhP’s veel meer thermische energie kunnen geleiden dan akoestische fononen bij gebruik van deze zeer dunne membranen.”

Het nieuwe koelkanaal dat door de SPhP’s wordt geboden, kan zo de verminderde thermische geleidbaarheid van fononen die optreedt in nanogestructureerde materialen compenseren. Verwacht wordt dat SPhP’s dus toepassingen zullen vinden in het thermisch beheer van op silicium gebaseerde micro-elektronische en fotonische apparaten.