Op de snelweg van warmteoverdracht wordt thermische energie verplaatst door middel van kwantumdeeltjes die fononen worden genoemd. Maar op de nanoschaal van de meest geavanceerde halfgeleiders van vandaag verwijderen die fononen niet genoeg warmte. Dat is de reden waarom onderzoekers van Purdue University zich richten op het openen van een nieuwe baan op nanoschaal op de snelweg voor warmteoverdracht door hybride quasideeltjes te gebruiken die 'polaritonen' worden genoemd.

Thomas Beechem houdt van warmteoverdracht. Hij praat er luid en trots over, als een prediker bij een grote tentopwekking.

"We hebben verschillende manieren om energie te beschrijven", zegt Beechem, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde. "Als we het over licht hebben, beschrijven we het in termen van deeltjes die 'fotonen' worden genoemd. Warmte transporteert ook energie op voorspelbare manieren, en we beschrijven deze energiegolven als 'fononen'. Maar soms zullen fotonen en fononen, afhankelijk van het materiaal, samenkomen en iets nieuws vormen dat een 'polariton' wordt genoemd. Het transporteert energie op zijn eigen manier, verschillend van zowel fotonen als fononen."

Net als fotonen en fononen zijn polaritonen geen fysieke deeltjes die je kunt zien of vangen. Het zijn meer manieren om energie-uitwisseling te beschrijven alsof het deeltjes zijn.

Nog steeds vaag? Wat dacht je van een andere analogie. "Fononen zijn als voertuigen met interne verbranding, en fotonen zijn als elektrische voertuigen", zei Beechem. "Polaritonen zijn een Toyota Prius. Ze zijn een hybride van licht en warmte, en behouden een aantal eigenschappen van beide. Maar ze zijn hun eigen speciale ding."

Polaritonen zijn gebruikt in optische toepassingen:van glas-in-lood tot gezondheidstests thuis. Maar hun vermogen om warmte te verplaatsen wordt grotendeels genegeerd, omdat hun impact pas significant wordt als de afmetingen van materialen erg klein worden. "We weten dat fononen het grootste deel van het werk van het overbrengen van warmte doen", zegt Jacob Minyard, een Ph.D. student in het laboratorium van Beechem.

"Het effect van polaritonen is alleen waarneembaar op nanoschaal. Maar tot nu toe hebben we de warmteoverdracht nooit op dat niveau hoeven aan te pakken, vanwege halfgeleiders."

"Halfgeleiders zijn zo ongelooflijk klein en complex geworden", vervolgde hij. "Mensen die deze chips ontwerpen en bouwen ontdekken dat fononen op deze zeer kleine schaal niet efficiënt warmte verspreiden. Ons artikel laat zien dat polaritonen op die lengteschalen een groter deel van de thermische geleidbaarheid kunnen bijdragen."

Hun onderzoek naar polaritonen is geselecteerd als een uitgelicht artikel in het Journal of Applied Physics .

"Wij in de warmteoverdrachtsgemeenschap zijn zeer materiaalspecifiek geweest in het beschrijven van het effect van polaritonen", zegt Beechem. "Iemand zal het in dit materiaal of op dat grensvlak waarnemen. Het is allemaal heel verschillend. Jacob's artikel heeft vastgesteld dat dit niet zomaar iets is. Polaritonen beginnen de warmteoverdracht te domineren op elk oppervlak dat dunner is dan 10 nanometer. Dat is twee keer zo groot." als de transistors op een iPhone 15."

Nu raakt Beechem echt opgewonden. “We hebben eigenlijk een hele extra rijstrook op de snelweg opengesteld. En hoe kleiner de schaal wordt, hoe belangrijker deze extra rijstrook wordt. Nu halfgeleiders blijven krimpen, moeten we nadenken over het ontwerpen van de verkeersstroom om van beide te profiteren. rijstroken:fononen en polaritonen."

Het artikel van Minyard schetst slechts het oppervlak van hoe dit praktisch kan gebeuren. De complexiteit van halfgeleiders betekent dat er veel mogelijkheden zijn om te profiteren van polaritonvriendelijke ontwerpen. "Er zijn veel materialen betrokken bij het maken van chips, van het silicium zelf tot de diëlektrica en metalen", zei Minyard. "De weg vooruit voor ons onderzoek is om te begrijpen hoe deze materialen kunnen worden gebruikt om warmte efficiënter te geleiden, waarbij we erkennen dat polaritonen een geheel nieuwe route bieden om energie te verplaatsen."

Beechem en Minyard erkennen dit en willen chipfabrikanten laten zien hoe ze deze op polariton gebaseerde warmteoverdrachtsprincipes op nanoschaal kunnen integreren in het fysieke ontwerp van de chip – van de fysieke materialen die erbij betrokken zijn tot de vorm en dikte van de lagen.

Hoewel dit werk nu theoretisch is, liggen fysieke experimenten in het verschiet – en daarom zijn Beechem en Minyard blij om bij Purdue te zijn.

"De warmteoverdrachtsgemeenschap hier bij Purdue is zo robuust", zei Beechem. "We kunnen letterlijk naar boven gaan en praten met Xianfan Xu, die een van de eerste experimentele realisaties van dit effect had. Vervolgens kunnen we naar Flex Lab lopen en Xiulin Ruan vragen naar zijn baanbrekende werk op het gebied van fononverstrooiing. En we hebben de faciliteiten hier bij het Birck Nanotechnology Center om experimenten op nanoschaal te bouwen en unieke meetinstrumenten te gebruiken om onze bevindingen te bevestigen. Het is echt de droom van elke onderzoeker."

Meer informatie: Jacob Minyard et al, Materiaalkarakteristieken die de thermische geleiding van fonon-polariton in het vlak beheersen, Journal of Applied Physics (2023). DOI:10.1063/5.0173917

Journaalinformatie: Journal of Applied Physics

Aangeboden door Purdue University