Thermische overwegingen worden snel een van de ernstigste ontwerpbeperkingen in micro-elektronica, vooral op submicron schaallengtes. Een onderzoek door onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign heeft aangetoond dat standaard thermische modellen tot het verkeerde antwoord zullen leiden in een driedimensionaal warmteoverdrachtsprobleem als de afmetingen van het verwarmingselement in de orde van één micron of kleiner zijn .

"Als materialen krimpen, de regels voor warmteoverdracht veranderen ook, " legde David Cahill uit, een professor in materiaalkunde en techniek in Illinois. "Ons huidige begrip van thermisch transport op nanoschaal is niet genuanceerd genoeg om kwantitatief te voorspellen wanneer de standaardtheorie niet zal werken. Dit kan van invloed zijn op het ontwerp van krachtige RF-apparaten die veel worden gebruikt in de telecommunicatie-industrie, bijvoorbeeld, 4G draadloze infrastructuur. De transistorafstand in RF-apparaten nadert snel lengteschalen waar theorie gebaseerd op de diffusie van warmte niet geldig zal zijn, en de momenteel gebruikte technische modellen zullen de bedrijfstemperatuur van het apparaat niet nauwkeurig voorspellen. De temperatuur is een belangrijke factor voor het voorspellen van de gemiddelde tijd tot falen."

"Ons onderzoek richt zich op het begrijpen van de fysica van thermisch transport op submicron-lengteschalen in de aanwezigheid van een interface, " legde Richard Wilson uit, hoofdauteur van de studie gepubliceerd in Natuurcommunicatie . "Onze studie richtte zich op een verscheidenheid aan kristallen met gecontroleerde verschillen in thermische transporteigenschappen, zoals Si, gedoteerde Si, en SiGe-legeringen, Wilson zei. "We bedekten deze kristallen met een dunne metalen film, verwarmde het oppervlak met een laserstraal, en registreerde vervolgens de temperatuurontwikkeling van het monster.

"Op lengteschalen korter dan de fonon gemiddelde vrije paden van het kristal, warmte wordt ballistisch getransporteerd, niet diffuus. Interfaces tussen materialen maken het probleem van warmteoverdracht nog ingewikkelder door extra thermische weerstand toe te voegen."

Onderzoekers ontdekten dat wanneer de straal van de laserstraal die werd gebruikt om de met metaal beklede kristallen te verwarmen meer dan tien micron was, de voorspellingen gemaakt door aan te nemen dat warmte diffuus wordt getransporteerd, kwamen overeen met de experimentele waarnemingen. Echter, toen de straal één micron naderde, de diffusietheorie overschatte de hoeveelheid energie die van het verwarmde oppervlak wordt afgevoerd.

"We ontdekten fundamentele verschillen in hoe warmte wordt getransporteerd over korte versus lange afstanden. Fourier-theorie, waarbij wordt aangenomen dat warmte wordt getransporteerd door diffusie, voorspelt dat een kubisch kristal zoals silicium de warmte even goed in alle richtingen zal dragen. We hebben aangetoond dat op korte lengteschalen de warmte niet in alle richtingen even goed wordt afgevoerd. Door de temperatuur van het monsteroppervlak te meten als functie van de afstand tot het midden van het verwarmde gebied, konden we bepalen hoe ver de warmte parallel aan het oppervlak reisde, en daaruit afleiden, wanneer de afmetingen van de verwarming klein zijn, aanzienlijk minder warmte wordt parallel aan het oppervlak gedragen dan de Fourier-theorie voorspelt, ’, verklaarde Wilson.

Wilson en Cahill bestudeerden ook het effect van grensvlakken op thermisch transport op nanoschaal.

"Het is al 75 jaar bekend dat de aanwezigheid van een grens een thermische grensweerstand toevoegt aan het warmteoverdrachtsprobleem, maar er is altijd aangenomen dat deze grensweerstand gelokaliseerd was op het grensvlak en onafhankelijk was van de thermische transporteigenschappen van het onderliggende materiaal, " voegde Cahill eraan toe. "Onze experimenten tonen aan dat deze veronderstellingen niet algemeen geldig zijn. In het bijzonder voor kristallen met defecten, de grensweerstand is verdeeld en sterk afhankelijk van de defectconcentratie. "

Wilson en Cahill hebben ook een theoretische beschrijving van hun resultaten gegeven die door apparaatingenieurs kan worden gebruikt om warmte en temperatuur in apparaten op nanoschaal beter te beheersen.