Overfladefononpolaritoner forbedrer termisk ledningsevne – Physics World

Overfladefononpolaritoner forbedrer termisk ledningsevne – Physics World

Tidsstempel: 8. januar 2024 kl. 10

H-formet enhed
Varmt og koldt: skematisk, der viser nanobåndets bølgeleder mellem de varme og kolde reservoirer. (Med høflighed: Yu Pei et al/Nature Communications)

Materialer med høj varmeledningsevne er eftertragtede til brug i elektroniske enheder, fordi de hurtigt fjerner overskydende varme, hvilket giver mulighed for optimal ydeevne. Men efterhånden som enheder bliver mindre og kører hurtigere, bliver det stadig mere udfordrende at fjerne varme.

Nylige undersøgelser har antydet, at overfladefononpolaritoner (SPhP'er) - kvasipartikler, der opstår fra koblingen mellem fononer og fotoner - kunne forbedre termisk ledningsevne i visse materialer. Nu har forskere ved University of California San Diego demonstreret dette for første gang i siliciumdioxid nanobåndbølgeledere.

SPhP'er er partikellignende excitationer, der forekommer på overfladen af ​​visse materialer, specifikt polære dielektrika. De er dannet af vekselvirkningen mellem kvantiserede svingninger af krystalgitteret (fononer) og elektromagnetiske bølger (fotoner). SPhP'er kan transportere store mængder varme langs overfladen af ​​et materiale på grund af deres fononkomponent. Imidlertid betyder den fotoniske natur af SPhP'er, at deres gennemsnitlige frie udbredelsesvej er meget længere end ukoblede fononer. Dette gør SPhPs til en ideel kandidat til langdistancevarmetransport. Nogle nyere forskning giver beviser for denne forbedring, og nu San Diegos Yu Pei og kolleger har lavet den første utvetydige demonstration af varmeledningsevneforbedring af SPhP'er.

Varme og kolde reservoirer

Holdet byggede en enhed bestående af to parallelle siliciumdioxidskinner forbundet med en smallere siliciumdioxidbølgeleder i en konfiguration, der ligner bogstavet H (se figur). Siliciumdioxidskinnerne fungerede som varme og kolde termiske reservoirer. Disse blev belagt med et lag af platin, hvilket gjorde det muligt for det varme reservoir at fungere og et varmelegeme og det kolde reservoir som en temperaturføler.

Gennem matematisk modellering viste forskerne, at SPhP-udbredelseslængden steg med faldende bølgeledertykkelse og nåede en bemærkelsesværdig maksimal længde på mere end 1 cm. Dette skyldes, at i tyndere bølgeledere eksisterer en større del af modusvolumenet i vakuumet og oplever intet tab.

Til at begynde med gav dette større modusvolumen imidlertid to problemer for forskerne. Det øgede lækage af SPhP'erne ind i det omgivende substrat; og det reducerede koblingen mellem bølgelederen og de termiske reservoirer. For at omgå disse problemer blev to specielle funktioner indarbejdet i nanobånddesignet. Bølgelederen og reservoirerne blev suspenderet over substratet for at reducere overlapning mellem SPhP-tilstanden og substratet, hvilket reducerede lækage. Også et absorberende lag af sort oxid (Fe3O4) blev klemt mellem siliciumdioxidskinnerne og platinlaget for at lette absorptionen af ​​SPhP'erne af de termiske reservoirer.

Sort oxid er afgørende

For at bestemme effekten af ​​SPhP'erne og enhedsdesignet på termisk transport opvarmede teamet det varme reservoir ved at påføre en spænding på platinet og målte temperaturstigningen i begge reservoirer. De viste, at prøver uden det udviste lag af sort oxid havde konduktivitet, der er typisk for den, der er medieret af ukoblede fononer. Når det sorte oxid var til stede, blev den termiske ledningsevne imidlertid forbedret med op til 34% sammenlignet med bulk siliciumdioxid. Dette tyder på, at det sorte oxid er afgørende for transporten af ​​varme med SPhP'er fra bølgelederen til reservoiret, og at varme ikke kan absorberes effektivt uden dette lag.

Pei og kolleger fandt også bevis for ballistisk varmetransport, hvilket viser, at den termiske ledningsevne af tykkere, bredere nanobånd ikke blev påvirket af at øge længden af ​​bølgelederen fra 49 mikron til 99 mikron. Sammenligner man dette med den gennemsnitlige frie vej for ukoblede fononer, som har en tendens til at være 1 mikron eller mindre, er det let at se den indvirkning, som SPhP'er kan have på varmetransport i nanoelektronik og mikroelektronik. Holdet viste også, at når nanobåndene var mindre end SPhP-bølgelængden i 1D eller 2D, udviste de henholdsvis to- og endimensionel temperaturafhængighed. Et sådant varmeledningsregime har været søgt i næsten to årtier.

Disse resultater repræsenterer et reelt gennembrud for mikroelektronik, nanofotonik og yderligere grundlæggende undersøgelser af varmetransport og SPhP'er. Gennem omhyggeligt bølgelederdesign og et specifikt fokus på modusvolumen og kobling til de termiske reservoirer demonstrerede forskerne SPhP-forstærket termisk ledningsevne med 1D- og 2D-temperaturafhængighed, begge for første gang. Dette vil åbne vejen mod studiet af lavdimensionel og kvantevarmeledningsevne ved høje temperaturer, og med yderligere optimering af nanobånddesignet bør yderligere forbedring af termisk ledningsevne være mulig.

Forskningen er beskrevet i Nature Communications.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden