science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Ontdekking op nanoschaal kan helpen oververhitting in elektronica af te koelen

Een laser verwarmt ultradunne staafjes silicium. Krediet:Steven Burrows/JILA

Een team van natuurkundigen van CU Boulder heeft het mysterie achter een verbijsterend fenomeen in het nano-rijk opgelost:waarom sommige ultrakleine warmtebronnen sneller afkoelen als je ze dichter bij elkaar zet. De bevindingen, vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ), zou op een dag de technische industrie kunnen helpen bij het ontwerpen van snellere elektronische apparaten die minder oververhit raken.

"Vaak, warmte is een uitdagende overweging bij het ontwerpen van elektronica. Je bouwt een apparaat en ontdekt dan dat het sneller opwarmt dan gewenst, " zei studie co-auteur Joshua Knobloch, postdoctoraal onderzoeksmedewerker bij JILA, een gezamenlijk onderzoeksinstituut tussen CU Boulder en het National Institute of Standards and Technology (NIST). "Ons doel is om de fundamentele fysica te begrijpen, zodat we toekomstige apparaten kunnen ontwerpen om de warmtestroom efficiënt te beheren."

Het onderzoek begon met een onverklaarbare observatie:in 2015 onderzoekers onder leiding van natuurkundigen Margaret Murnane en Henry Kapteyn van JILA experimenteerden met staven metaal die vele malen dunner waren dan de breedte van een mensenhaar op een siliconenbasis. Toen ze die staven met een laser verhitten, er gebeurde iets vreemds.

"Ze gedroegen zich heel contra-intuïtief, " Zei Knobloch. "Deze warmtebronnen op nanoschaal voeren de warmte meestal niet efficiënt af. Maar als je ze dicht bij elkaar pakt, ze koelen veel sneller af."

Nutsvoorzieningen, de onderzoekers weten waarom het gebeurt.

In de nieuwe studie ze gebruikten computergebaseerde simulaties om de doorgang van warmte uit hun staven van nanoformaat te volgen. Ze ontdekten dat wanneer ze de warmtebronnen dicht bij elkaar plaatsten, de vibraties van energie die ze produceerden begonnen op elkaar af te kaatsen, verstrooiing van de warmte en het afkoelen van de staven.

De resultaten van de groep benadrukken een grote uitdaging bij het ontwerpen van de volgende generatie kleine apparaten, zoals microprocessors of kwantumcomputerchips:als je krimpt tot heel kleine schaal, warmte gedraagt ​​zich niet altijd zoals je denkt dat het zou moeten.

Atoom voor atoom

De overdracht van warmte in apparaten is belangrijk, voegden de onderzoekers eraan toe. Zelfs minieme defecten in het ontwerp van elektronica zoals computerchips kunnen ervoor zorgen dat de temperatuur stijgt, slijtage aan een apparaat toevoegen. Aangezien technologiebedrijven ernaar streven steeds kleinere elektronica te produceren, ze zullen meer dan ooit aandacht moeten besteden aan fononen - trillingen van atomen die warmte transporteren in vaste stoffen.

"Warmtestroom omvat zeer complexe processen, waardoor het moeilijk te controleren is, "Zei Knobloch. "Maar als we kunnen begrijpen hoe fononen zich op kleine schaal gedragen, dan kunnen we hun transport op maat maken, waardoor we efficiëntere apparaten kunnen bouwen."

Om dat te doen, Murnane en Kapteyn en hun team van experimentele natuurkundigen bundelden hun krachten met een groep theoretici onder leiding van Mahmoud Hussein, hoogleraar bij de afdeling Lucht- en Ruimtevaarttechniek van Ann en H.J. Smead. Zijn groep is gespecialiseerd in het simuleren, of modellenwerk, de beweging van fononen.

"Op atomaire schaal de aard van warmteoverdracht komt in een nieuw licht naar voren, " zei Hoessein, die ook een beleefdheidsafspraak heeft bij de afdeling Natuurkunde.

De onderzoekers, eigenlijk, hebben hun experiment van enkele jaren geleden opnieuw gemaakt, maar deze keer, geheel op een computer. Ze modelleerden een reeks siliciumstaven, naast elkaar gelegd als de lamellen in een treinspoor en opgewarmd.

De simulaties waren zo gedetailleerd, Knobloch zei, dat het team het gedrag van elk atoom in het model - miljoenen in totaal - van begin tot eind kon volgen.

"We verlegden echt de grenzen van het geheugen van de Summit Supercomputer bij CU Boulder, " hij zei.

warmte sturen

De techniek wierp zijn vruchten af. De onderzoekers vonden, bijvoorbeeld, dat wanneer ze hun siliciumstaven ver genoeg uit elkaar plaatsen, warmte had de neiging om op een voorspelbare manier uit die materialen te ontsnappen. De energie lekte uit de staven en in het materiaal eronder, in alle richtingen verdwijnen.

Toen de tralies dichter bij elkaar kwamen, echter, er gebeurde iets anders. Terwijl de hitte van die bronnen zich verspreidde, het dwong die energie effectief om intenser weg te stromen van de bronnen - zoals een menigte mensen in een stadion die tegen elkaar aandringen en uiteindelijk uit de uitgang springen. Het team noemde dit fenomeen 'directionele thermische kanalisatie'.

"Dit fenomeen verhoogt het transport van warmte naar beneden in het substraat en weg van de warmtebronnen, ' zei Knobloch.

De onderzoekers vermoeden dat ingenieurs op een dag dit ongewone gedrag zouden kunnen aanboren om beter grip te krijgen op hoe warmte in kleine elektronica stroomt - die energie langs een gewenst pad leiden, in plaats van het wild en vrij te laten lopen.

Voor nu, de onderzoekers zien de nieuwste studie als wat wetenschappers uit verschillende disciplines kunnen doen als ze samenwerken.

"Dit project was zo'n opwindende samenwerking tussen wetenschap en techniek - waarbij geavanceerde computationele analysemethoden ontwikkeld door Mahmoud's groep van cruciaal belang waren voor het begrijpen van nieuw materiaalgedrag dat eerder door onze groep was ontdekt met behulp van nieuwe extreem ultraviolette kwantumlichtbronnen, " zei Murnane, tevens hoogleraar natuurkunde.

Andere CU Boulder-coauteurs van het nieuwe onderzoek zijn Hossein Honarvar, een postdoctoraal onderzoeker in lucht- en ruimtevaarttechniek en JILA en Brendan McBennett, een afgestudeerde student aan JILA. Voormalig JILA-onderzoekers Travis Frazer, Begoña Abad en Jorge Hernandez-Charpak droegen ook bij aan het onderzoek.