De huidige computerchips verpakken miljarden minuscule transistoren op een plaat van silicium binnen de breedte van een vingernagel. Elke transistor, slechts tientallen nanometers breed, fungeert als een schakelaar die, samen met anderen, voert de berekeningen van een computer uit. Terwijl dichte bossen van transistors heen en weer zenden, ze geven warmte af - die de elektronica kan braden, als een chip te heet wordt.

Fabrikanten passen gewoonlijk een klassieke diffusietheorie toe om de temperatuurstijging van een transistor in een computerchip te meten. Maar nu suggereert een experiment van MIT-ingenieurs dat deze algemene theorie geen stand houdt op extreem kleine lengteschalen. De resultaten van de groep geven aan dat de diffusietheorie de temperatuurstijging van warmtebronnen op nanoschaal onderschat, zoals de transistors van een computerchip. Een dergelijke misrekening kan de betrouwbaarheid en prestaties van chips en andere micro-elektronische apparaten aantasten.

"We hebben vastgesteld dat wanneer de warmtebron erg klein is, je kunt de diffusietheorie niet gebruiken om de temperatuurstijging van een apparaat te berekenen. Temperatuurstijging is hoger dan diffusievoorspelling, en in de micro-elektronica, dat wil je niet, " zegt professor Gang Chen, hoofd van de afdeling Werktuigbouwkunde aan het MIT. "Dus dit kan de manier veranderen waarop mensen denken over het modelleren van thermische problemen in micro-elektronica."

De groep, waaronder afgestudeerde student Lingping Zeng en instituutsprofessor Mildred Dresselhaus van MIT, Yongjie Hu van de Universiteit van Californië in Los Angeles, en Austin Minnich van Caltech, heeft zijn resultaten deze week in het tijdschrift gepubliceerd Natuur Nanotechnologie .

Phonon gemiddelde vrije paddistributie

Chen en zijn collega's kwamen tot hun conclusie na het bedenken van een experiment om de "mean free path"-verdeling van warmtedragers in een materiaal te meten. In halfgeleiders en diëlektrica, warmte stroomt meestal in de vorm van fononen - golfachtige deeltjes die warmte door een materiaal transporteren en tijdens hun voortplanting verschillende verstrooiingen ervaren. Het gemiddelde vrije pad van een fonon is de afstand die een fonon kan dragen voordat hij in botsing komt met een ander deeltje; hoe langer het gemiddelde vrije pad van een fonon, hoe beter het kan dragen, of gedrag, warmte.

Aangezien het gemiddelde vrije pad kan variëren van fonon tot fonon in een bepaald materiaal - van enkele nanometers tot microns - vertoont het materiaal een gemiddelde vrije padverdeling, of bereik. Chen, de Carl Richard Soderberg Professor in Power Engineering aan het MIT, redeneerde dat het meten van deze verdeling een gedetailleerder beeld zou geven van het warmtedragende vermogen van een materiaal, onderzoekers in staat stellen materialen te engineeren, bijvoorbeeld, nanostructuren gebruiken om de afstand die fononen afleggen te beperken.

De groep probeerde een raamwerk en een hulpmiddel te ontwikkelen om de gemiddelde vrije padverdeling in een aantal technologisch interessante materialen te meten. Er zijn twee thermische transportregimes:diffuus regime en quasiballistisch regime. De eerste geeft de bulk thermische geleidbaarheid terug, die de belangrijke gemiddelde vrije padverdeling maskeert. Om de gemiddelde vrije paden van fononen te bestuderen, de onderzoekers realiseerden zich dat ze een kleine warmtebron nodig hadden in vergelijking met het fonon-gemiddelde vrije pad om toegang te krijgen tot het quasiballistische regime, omdat grotere warmtebronnen in wezen de effecten van individuele fononen zouden maskeren.

Het creëren van warmtebronnen op nanoschaal was een grote uitdaging:lasers kunnen alleen worden scherpgesteld op een plek ter grootte van de golflengte van het licht, ongeveer één micron - meer dan 10 keer de lengte van het gemiddelde vrije pad in sommige fononen. Om de energie van laserlicht te concentreren op een nog fijner gebied, het team heeft aluminium stippen van verschillende groottes met patronen gemaakt, van tientallen micrometers tot 30 nanometer, over het oppervlak van silicium, de legering van siliciumgermanium, galliumarsenide, galliumnitride, en saffier. Elke stip absorbeert en concentreert de warmte van een laser, die vervolgens als fononen door het onderliggende materiaal stroomt.

In hun experimenten, Chen en zijn collega's gebruikten microfabricage om de grootte van de aluminium stippen te variëren, en mat het verval van een gepulseerde laser die door het materiaal wordt gereflecteerd - een indirecte maat voor de warmtevoortplanting in het materiaal. Ze ontdekten dat naarmate de grootte van de warmtebron kleiner wordt, de temperatuurstijging wijkt af van de diffusietheorie.

Ze interpreteren dat als de metalen stippen, welke warmtebronnen zijn, kleiner worden, fononen die de stippen verlaten hebben de neiging om "ballistisch, " schieten over het onderliggende materiaal zonder verstrooiing. In deze gevallen, dergelijke fononen dragen niet veel bij aan de thermische geleidbaarheid van een materiaal. Maar voor veel grotere warmtebronnen die op hetzelfde materiaal werken, fononen hebben de neiging om met andere fononen te botsen en vaker te verstrooien. In deze gevallen, de diffusietheorie die momenteel in gebruik is, wordt geldig.

Een gedetailleerde transportfoto

Voor elk materiaal, de onderzoekers plotten een verdeling van gemiddelde vrije paden, gereconstrueerd uit de verwarmingsgrootte-afhankelijke thermische geleidbaarheid van een materiaal. Algemeen, ze observeerden het verwachte nieuwe beeld van warmtegeleiding:terwijl de gewone, klassieke diffusietheorie is toepasbaar op grote warmtebronnen, het mislukt voor kleine warmtebronnen. Door de grootte van warmtebronnen te variëren, Chen en zijn collega's kunnen in kaart brengen hoe ver fononen reizen tussen botsingen, en hoeveel ze bijdragen aan de warmtegeleiding.

Zeng zegt dat de experimentele opstelling van de groep kan worden gebruikt om beter te begrijpen, en eventueel afstemmen, thermische geleidbaarheid van een materiaal. Bijvoorbeeld, als een ingenieur een materiaal wenst met bepaalde thermische eigenschappen, de gemiddelde vrije padverdeling zou kunnen dienen als een blauwdruk om specifieke "verstrooiingscentra" binnen het materiaal te ontwerpen - locaties die fonon-botsingen veroorzaken, op zijn beurt verstrooiing van warmtevoortplanting, wat leidt tot een verminderd warmtetransporterend vermogen. Hoewel dergelijke effecten niet wenselijk zijn om een ​​computerchip koel te houden, ze zijn geschikt in thermo-elektrische apparaten, die warmte omzetten in elektriciteit. Voor dergelijke toepassingen is materialen die elektrisch geleidend maar thermisch isolerend zijn gewenst.

"Het belangrijke is, we hebben een spectroscopietool om de gemiddelde vrije padverdeling te meten, en dat distributie belangrijk is voor veel technologische toepassingen, ' zegt Zeng.