Als gevolg van de voortdurende vooruitgang in de miniaturisering van micro-elektronische en fotonische apparaten van silicium, het koelen van apparaatstructuren wordt steeds uitdagender. Conventioneel warmtetransport in bulkgoederen wordt gedomineerd door akoestische fononen, die quasideeltjes zijn die de roostertrillingen van het materiaal vertegenwoordigen, vergelijkbaar met de manier waarop fotonen lichtgolven voorstellen. Helaas, dit type koeling bereikt zijn grenzen in deze kleine structuren.

Echter, oppervlakte-effecten worden dominant naarmate de materialen in nanogestructureerde apparaten dunner worden, wat betekent dat oppervlaktegolven de vereiste thermische transportoplossing kunnen bieden. Oppervlakte-phonon-polaritonen (SPhP's) - hybride golven bestaande uit elektromagnetische oppervlaktegolven en optische fononen die zich voortplanten langs de oppervlakken van diëlektrische membranen - hebben een bijzondere belofte getoond, en een team onder leiding van onderzoekers van het Institute of Industrial Science, de Universiteit van Tokio heeft nu de thermische geleidbaarheidsverbeteringen van deze golven aangetoond en geverifieerd.

"We hebben SPhP's gegenereerd op siliciumnitridemembranen met verschillende diktes en de thermische geleidbaarheid van deze membranen gemeten over brede temperatuurbereiken, " zegt hoofdauteur van de studie Yunhui Wu. "Hierdoor konden we de specifieke bijdragen van de SPhP's aan de verbeterde thermische geleidbaarheid die wordt waargenomen in de dunnere membranen vaststellen."

Het team merkte op dat de thermische geleidbaarheid van membranen met een dikte van 50 nm of minder zelfs verdubbelde wanneer de temperatuur steeg van 300 K tot 800 K (ongeveer 27 ° C tot 527 ° C). In tegenstelling tot, de geleidbaarheid van een 200 nm dik membraan nam af over hetzelfde temperatuurbereik omdat de akoestische fononen nog steeds domineerden bij die dikte.

"Metingen toonden aan dat de diëlektrische functie van siliciumnitride niet veel veranderde over het experimentele temperatuurbereik, wat betekende dat de waargenomen thermische verbeteringen konden worden toegeschreven aan de werking van de SPhP's, " legt Masahiro Nomura van het Institute of Industrial Science uit, senior auteur van de studie. "De SPhP-voortplantingslengte langs het membraaninterface neemt toe wanneer de membraandikte afneemt, waardoor SPhP's veel meer thermische energie kunnen geleiden dan akoestische fononen bij gebruik van deze zeer dunne membranen."

Het nieuwe koelkanaal van de SPhP's kan dus de verminderde thermische geleidbaarheid van fononen compenseren die optreedt in nanogestructureerde materialen. Er wordt dus verwacht dat SPhP's toepassingen zullen vinden in het thermisch beheer van op silicium gebaseerde micro-elektronische en fotonische apparaten.