Technische ontdekking daagt het warmteoverdrachtsparadigma uit dat het ontwerp van elektronische en fotonische apparaten ondersteunt

Voorgesteld mechanisme van energieoverdracht aan het grensvlak en experimenteel schema. Credit: Natuur Nanotechnologie (2020). DOI: 10.1038 / s41565-020-00794-z

Een onderzoeksdoorbraak van de University of Virginia School of Engineering demonstreert een nieuw mechanisme om de temperatuur te regelen en de levensduur van elektronische en fotonische apparaten zoals sensoren, smartphones en transistors te verlengen.

De ontdekking, van UVA’s experimenten en simulaties in de onderzoeksgroep thermische engineering, daagt een fundamentele veronderstelling uit over warmteoverdracht in halfgeleiderontwerp. In apparaten worden elektrische contacten gevormd op de kruising van een metaal en een halfgeleidend materiaal. Traditioneel gingen materiaal- en apparaatingenieurs ervan uit dat elektronenenergie over dit knooppunt beweegt via een proces dat ladingsinjectie wordt genoemd, zei groepsleider Patrick Hopkins, hoogleraar mechanische en lucht- en ruimtevaarttechniek met hoffelijke benoemingen in materiaalkunde en engineering en natuurkunde.

Ladingsinjectie stelt dat met de stroom van de elektrische lading, elektronen fysiek van het metaal in de halfgeleider springen en hun overtollige warmte meenemen. Dit verandert de elektrische samenstelling en eigenschappen van de isolerende of halfgeleidende materialen. De koeling die hand in hand gaat met ladingsinjectie kan de efficiëntie en prestaties van het apparaat aanzienlijk verminderen.

De groep van Hopkins ontdekte een nieuw warmteoverdrachtspad dat de voordelen van koeling die gepaard gaat met ladingsinjectie omarmt zonder de nadelen van de elektronen die fysiek in het halfgeleiderapparaat bewegen. Ze noemen dit mechanisme ballistische thermische injectie.

Zoals beschreven door Hopkins ‘adviseur John Tomko, een Ph.D. student materiaalkunde en engineering: “Het elektron bereikt de brug tussen zijn metaal en de halfgeleider, ziet een ander elektron over de brug en reageert ermee, waarbij het zijn warmte overdraagt ​​maar aan zijn eigen kant van de brug blijft. Het halfgeleidende materiaal absorbeert een veel warmte, maar het aantal elektronen blijft constant. “

“De mogelijkheid om elektrische contacten te koelen door de ladingsdichtheid constant te houden, biedt een nieuwe richting in elektronische koeling zonder de elektrische en optische prestaties van het apparaat te beïnvloeden”, aldus Hopkins. “De mogelijkheid om het optische, elektrische en thermische gedrag van materialen en apparaten onafhankelijk te optimaliseren, verbetert de prestaties en levensduur van het apparaat.”

Tomko’s expertise in lasermetrologie – het meten van energieoverdracht op nanoschaal – onthulde ballistische thermische injectie als een nieuwe weg voor zelfkoeling van apparaten. De meettechniek van Tomko, meer bepaald optische laserspectroscopie, is een geheel nieuwe manier om de warmteoverdracht over de metaal-halfgeleiderinterface te meten.

“Eerdere meet- en observatiemethoden konden het warmteoverdrachtsmechanisme niet los van ladingsinjectie ontleden”, zei Tomko.

Voor hun experimenten koos het onderzoeksteam van Hopkins cadmiumoxide, een transparant elektrisch geleidend oxide dat eruitziet als glas. Cadmiumoxide was een pragmatische keuze omdat de unieke optische eigenschappen zeer geschikt zijn voor Tomko’s laserspectroscopiemeetmethode.

Cadmiumoxide absorbeert perfect mid-infrarood fotonen in de vorm van plasmonen, quasideeltjes die zijn samengesteld uit gesynchroniseerde elektronen die een ongelooflijk efficiënte manier zijn om licht in een materiaal te koppelen. Tomko gebruikte ballistische thermische injectie om de lichtgolflengte te verplaatsen waarop perfecte absorptie optreedt, waardoor de optische eigenschappen van cadmiumoxide in wezen worden afgestemd door geïnjecteerde warmte.

“Onze waarnemingen van afstemming stellen ons in staat om definitief te zeggen dat warmteoverdracht plaatsvindt zonder elektronen te verwisselen”, zei Tomko.

Tomko onderzocht de plasmonen om informatie te extraheren over het aantal vrije elektronen aan elke kant van de brug tussen het metaal en de halfgeleider. Op deze manier legde Tomko de meting vast van de plaatsing van elektronen voor en nadat het metaal was verwarmd en afgekoeld.

De ontdekking van het team biedt ook veelbelovend voor infrarooddetectietechnologieën. Tomko’s waarnemingen laten zien dat de optische afstemming zo lang duurt als het cadmiumoxide heet blijft, rekening houdend met het feit dat tijd relatief is – een biljoenste in plaats van een quadriljoenste van een seconde.

Ballistische thermische injectie kan de plasmonabsorptie regelen en daarmee de optische respons van niet-metalen materialen. Een dergelijke regeling maakt een zeer efficiënte plasmonabsorptie mogelijk op midden-infraroodlengte. Een voordeel van deze ontwikkeling is dat nachtkijkers beter kunnen reageren op een plotselinge, intense warmteverandering die het apparaat anders tijdelijk blind zou maken.

“De realisatie van dit ballistische thermische injectieproces over metaal / cadmiumoxide-interfaces voor ultrasnelle plasmonische toepassingen opent de deur voor ons om dit proces te gebruiken voor efficiënte koeling van andere apparaatrelevante materiaalinterfaces,” zei Hopkins.

Tomko was de eerste auteur van een paper waarin deze bevindingen werden gedocumenteerd. Natuur Nanotechnologie publiceerde op 9 november de paper van het team, Long-live Modulation of Plasmonic Absorption by Ballistic Thermal Injection; de krant werd ook gepromoot in News and Views van de tijdschriftredactie. De Natuur Nanotechnologie paper draagt ​​bij aan een lange lijst van publicaties voor Tomko, die co-auteur is van meer dan 30 papers en nu aanspraak kan maken op het eerste auteurschap van twee Natuur Nanotechnologie papers als een afgestudeerde student.

Het onderzoekspaper sluit aan bij een tweejarige gezamenlijke inspanning die wordt gefinancierd door een Multi-University Research Initiative van het US Army Research Office. Jon-Paul Maria, hoogleraar materiaalkunde en engineering aan Penn State University, is de hoofdonderzoeker van de MURI-subsidie, die zowel de University of Southern California als UVA omvat. Dit MURI-team werkte ook samen met Josh Caldwell, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde en elektrotechniek aan de Vanderbilt University.

De doorbraak van het team was gebaseerd op Penn State’s expertise in het maken van de cadmiumoxidemonsters, Vanderbilt’s expertise in optische modellering, de computationele modellering van de University of Southern California en UVA’s expertise in energietransport, ladingsstroom en fotonische interacties met plasmonen op heterogene interfaces, waaronder de ontwikkeling van een nieuw laser-experiment met ultrasnelle pomp-sonde om dit nieuwe ballistische thermische injectieproces te volgen.