Onderzoekers passen hetzelfde "hydrodynamische transportmodel" toe dat wordt gebruikt om stroming in vloeistoffen te bestuderen om warmtetransport in een vaste halfgeleider te verklaren, met mogelijke implicaties voor het ontwerp van hogesnelheidstransistoren en lasers.

Thermische beeldvorming van kleine halfgeleiderwarmtebronnen op nanoschaal onthulde details over wervelingen van warmtedragende objecten die fononen worden genoemd.

De nieuwe bevindingen hebben mogelijk belangrijke implicaties voor "thermische overspraak, " waarbij meerdere warmtebronnen naast elkaar invloed hebben op de algehele temperatuur van het systeem, prestaties belemmeren. De onderzoekers gebruikten een techniek genaamd full-field thermoreflectance thermal imaging om temperatuurveranderingen die worden geproduceerd door ultrakleine warmtebronnen direct te visualiseren. gouden strips gevormd bovenop de halfgeleider indium galliumarsenide.

Het onderzoek betreft de cruciale rol van fononen, kwantummechanische objecten, of "quasideeltjes, " die beschrijven hoe trillingen door de kristalstructuur van een materiaal reizen. Van de fononen wordt gezegd dat ze "warmtedragers" zijn in vaste materialen.

"Dit is de eerste keer dat dergelijke hydrodynamische effecten indirect worden waargenomen voor warmtevoortplanting in een vaste stof, " zei Ali Shakouri, Purdue University's Mary Jo en Robert L. Kirk Directeur van het Birck Nanotechnology Center en een professor in elektrische en computertechniek. "Terwijl structuren die wervelingen worden genoemd veel voorkomen in vloeistofstromen zoals water of lucht, dit is de eerste keer dat we hebben gezien dat ze aanwezig kunnen zijn in vaste stoffen voor fononstroom in de typische halfgeleider indium galliumarsenide, die wordt gebruikt in high-speed transistors en lasers."

De bevindingen worden gedetailleerd beschreven in een onderzoekspaper die op 17 januari verschijnt Natuurcommunicatie .

"De waargenomen vermindering van thermische overspraak heeft belangrijke implicaties bij het ontwerp van elektronische en opto-elektronische apparaten op nanoschaal, " zei Purdue, postdoctoraal onderzoeksmedewerker Amirkoushyar Ziabari, hoofdauteur van de krant. "Naarmate de omvang van elektronische en opto-elektronische apparaten kleiner wordt, er worden steeds meer apparaten in een kleiner gebied verpakt, dus de thermische overspraak tussen deze apparaten wordt belangrijk. Het kennen van het nauwkeurige thermische gedrag in de buurt en een paar micron van warmtebronnen zou helpen bij het ontwerpen van betere state-of-the-art apparaten in termen van prestaties, snelheid, thermische betrouwbaarheid, enzovoort."

De onderzoekers ontdekten dat de verminderde thermische overspraak wordt veroorzaakt door wervelingen die worden gegenereerd nabij de rand van de warmtebronnen.

"Dit is vergelijkbaar met de wervelingen die worden waargenomen aan de rand van een obstakel dat zich in een lucht- of waterstroom bevindt, zoals achter een vliegtuigvleugel, ' zei Shakuri.

De geldende wet van warmtegeleiding, bekend als de Fourierwet of de warmtediffusievergelijking, voorspelt thermisch transport voor apparaten op nanoschaal niet nauwkeurig. Omdat de Fourier-diffusievergelijking het warmtetransport op die schalen niet verklaart, dit transportregime wordt niet-diffuus genoemd.

"Naarmate de omvang van elektronische en opto-elektronische apparaten kleiner wordt, het is belangrijk om dit niet-diffuse gedrag in overweging te nemen voor het ontwerp en de optimalisatie van dergelijke kleine apparaten, "Zei Ziabari. "Deze nieuwe metingen laten zien dat op nanoschaal, warmtevoortplanting heeft interessant 'vloeistofachtig' gedrag."

Conventionele methoden houden geen rekening met draaikolken van warmtetransport die op nanoschaal worden gevonden.

"Vorticiteit wordt pas belangrijk als de karakteristieke brondimensie vergelijkbaar is met de hydrodynamische lengteschaal van ongeveer 150 nanometer, " hij zei.

De Fourier-theorie overschat de experimenteel waargenomen temperatuur op korte afstand van de verwarmingslijnen aanzienlijk.

"Het verrassende effect was dat de temperatuur veel sneller vervalt dan wat de Fourier-theorie voorspelde, "Zei Shakouri. "Binnen een afstand van 1 of 2 micron van een kleine warmtebron - een lijn van ongeveer 100 nanometer breed - zou de temperatuur een derde tot een vierde kunnen zijn wat de Fourier-theorie voorspelt."

De thermoreflecterende thermische beeldvormingsbenadering stelt onderzoekers in staat om kaarten van temperatuurstijging te maken met een veel hogere resolutie dan anders mogelijk zou zijn met behulp van licht in het zichtbare bereik.