Een onderzoeksdoorbraak van de University of Virginia School of Engineering demonstreert een nieuw mechanisme om de temperatuur te regelen en de levensduur te verlengen van elektronische en fotonische apparaten zoals sensoren, smartphones en transistors.

De vondst, van de experimenten en simulaties van UVA in de onderzoeksgroep thermische engineering, daagt een fundamentele veronderstelling uit over warmteoverdracht in het ontwerp van halfgeleiders. Bij apparaten, elektrische contacten vormen zich op de kruising van een metaal en een halfgeleidend materiaal. traditioneel, materiaal- en apparaatingenieurs hebben aangenomen dat elektronenenergie over dit knooppunt beweegt via een proces dat ladingsinjectie wordt genoemd, zei groepsleider Patrick Hopkins, hoogleraar werktuigbouwkunde en ruimtevaarttechniek met hoffelijke benoemingen in materiaalkunde en techniek en natuurkunde.

Ladingsinjectie stelt dat met de stroom van de elektrische lading, elektronen springen fysiek van het metaal in de halfgeleider, nemen hun overtollige warmte mee. Dit verandert de elektrische samenstelling en eigenschappen van de isolerende of halfgeleidende materialen. De koeling die hand in hand gaat met ladingsinjectie kan de efficiëntie en prestaties van het apparaat aanzienlijk verminderen.

De groep van Hopkins ontdekte een nieuw pad voor warmteoverdracht dat de voordelen van koeling omvat die gepaard gaan met ladingsinjectie zonder de nadelen van de elektronen die fysiek in het halfgeleiderapparaat bewegen. Ze noemen dit mechanisme ballistische thermische injectie.

Zoals beschreven door Hopkins' adviseur John Tomko, een doctoraat student materiaalkunde en techniek:"Het elektron bereikt de brug tussen zijn metaal en de halfgeleider, een ander elektron over de brug ziet en ermee in wisselwerking staat, zijn warmte overdragen maar aan zijn eigen kant van de brug blijven. Het halfgeleidende materiaal neemt veel warmte op, maar het aantal elektronen blijft constant."

"De mogelijkheid om elektrische contacten te koelen door de ladingsdichtheid constant te houden, biedt een nieuwe richting in elektronische koeling zonder de elektrische en optische prestaties van het apparaat te beïnvloeden, Hopkins zei. "Het vermogen om optisch onafhankelijk te optimaliseren, elektrisch en thermisch gedrag van materialen en apparaten verbetert de prestaties en levensduur van het apparaat."

Tomko's expertise in lasermetrologie - het meten van energieoverdracht op nanoschaal - onthulde ballistische thermische injectie als een nieuw pad voor zelfkoeling van apparaten. Tomko's meettechniek, meer specifiek optische laserspectroscopie, is een geheel nieuwe manier om de warmteoverdracht over de metaal-halfgeleiderinterface te meten.

"Vorige meet- en observatiemethoden konden het warmteoverdrachtsmechanisme niet los van de ladingsinjectie ontbinden, ' zei Tomko.

Voor hun experimenten, Het onderzoeksteam van Hopkins selecteerde cadmiumoxide, een transparant elektrisch geleidend oxide dat eruitziet als glas. Cadmiumoxide was een pragmatische keuze omdat de unieke optische eigenschappen zeer geschikt zijn voor Tomko's laserspectroscopie-meetmethode.

Cadmiumoxide absorbeert perfect midden-infrarode fotonen in de vorm van plasmonen, quasideeltjes samengesteld uit gesynchroniseerde elektronen die een ongelooflijk efficiënte manier zijn om licht aan een materiaal te koppelen. Tomko gebruikte ballistische thermische injectie om de lichtgolflengte te verplaatsen waarbij perfecte absorptie optreedt, in wezen afstemmen van de optische eigenschappen van cadmiumoxide door middel van geïnjecteerde warmte.

"Onze observaties van afstemming stellen ons in staat om definitief te zeggen dat warmteoverdracht plaatsvindt zonder elektronen te verwisselen, ' zei Tomko.

Tomko onderzocht de plasmonen om informatie te verkrijgen over het aantal vrije elektronen aan elke kant van de brug tussen het metaal en de halfgeleider. Op deze manier, Tomko legde de meting vast van de plaatsing van elektronen voor en nadat het metaal was verwarmd en afgekoeld.

De ontdekking van het team is ook veelbelovend voor infrarooddetectietechnologieën. Tomko's observations reveal that the optical tuning lasts as long as the cadmium oxide remains hot, keeping in mind that time is relative—a trillionth rather than a quadrillionth of a second.

Ballistic thermal injection can control plasmon absorption and therefore the optical response of non-metal materials. Such control enables highly efficient plasmon absorption at mid-infrared length. One benefit of this development is that night vision devices can be made more responsive to a sudden, intense change in heat that would otherwise leave the device temporarily blind.

"The realization of this ballistic thermal injection process across metal/cadmium oxide interfaces for ultrafast plasmonic applications opens the door for us to use this process for efficient cooling of other device-relevant material interfaces, " Hopkins said.

Tomko first-authored a paper documenting these findings. Natuur Nanotechnologie published the team's paper, Long-lived Modulation of Plasmonic Absorption by Ballistic Thermal Injection, on November 9; the paper was also promoted in the journal editors' News and Views. De Natuur Nanotechnologie paper adds to a long list of publications for Tomko, who has co-authored more than 30 papers and can now claim first-authorship of two Natuur Nanotechnologie papers as a graduate student.

The research paper culminates a two-year, collaborative effort funded by a U.S. Army Research Office Multi-University Research Initiative. Jon-Paul Maria, professor of materials science and engineering at Penn State University, is the principal investigator for the MURI grant, which includes the University of Southern California as well as UVA. This MURI team also collaborated with Josh Caldwell, associate professor of mechanical engineering and electrical engineering at Vanderbilt University.

The team's breakthrough relied on Penn State's expertise in making the cadmium oxide samples, Vanderbilt's expertise in optical modeling, the University of Southern California's computational modeling, and UVA's expertise in energy transport, charge flow, and photonic interactions with plasmons at heterogeneous interfaces, including the development of a novel ultrafast-pump-probe laser experiment to monitor this novel ballistic thermal injection process.