A felszíni fononpolaritonok növelik a hővezető képességet – Fizika világa

A felszíni fononpolaritonok növelik a hővezető képességet – Fizika világa

Időbélyeg: 8. január 2024. 10:53

H alakú készülék
Meleg és hideg: sematikusan mutatja a nanoszalag hullámvezetőt a meleg és hideg tartályok között. (Jó: Yu Pei et al/Nature Communications)

A nagy hővezető képességű anyagokat keresik az elektronikai eszközökben, mert gyorsan eltávolítják a felesleges hőt, ami optimális teljesítményt tesz lehetővé. Ahogy azonban az eszközök egyre kisebbek és gyorsabban működnek, a hő eltávolítása egyre nagyobb kihívást jelent.

A legújabb tanulmányok azt sugallták, hogy a felszíni fononpolaritonok (SPhP-k) – a fononok és fotonok kapcsolódásából származó kvázi részecskék – bizonyos anyagok hővezető képességét növelhetik. A Kaliforniai Egyetem San Diego kutatói most mutatták be ezt először szilícium-dioxid nanoszalagos hullámvezetőkben.

Az SPhP-k részecskeszerű gerjesztések, amelyek bizonyos anyagok, különösen a poláris dielektrikumok felületén fordulnak elő. A kristályrács kvantált rezgései (fononok) és az elektromágneses hullámok (fotonok) kölcsönhatása révén jönnek létre. Az SPhP-k nagy mennyiségű hőt tudnak szállítani az anyag felületén a fononkomponensüknek köszönhetően. Az SPhP-k fotonikus természete azonban azt jelenti, hogy átlagos szabad terjedési útjuk sokkal hosszabb, mint a nem csatolt fononoké. Ez teszi az SPhP-ket ideális jelöltté a hosszú távú hőszállításhoz. Néhány közelmúltbeli kutatás bizonyítékot szolgáltat erre a fejlesztésre, most pedig a San Diego-i Yu Pei és munkatársai elkészítették az első egyértelmű demonstrációt az SPhP-k hővezető képességének javításáról.

Hideg-meleg tározók

A csapat egy olyan eszközt épített, amely két párhuzamos szilícium-dioxid sínből áll, amelyeket egy keskenyebb szilícium-dioxid hullámvezető köt össze a H betűre emlékeztető konfigurációban (lásd az ábrát). A szilícium-dioxid sínek meleg és hideg hőtárolóként működtek. Ezeket platinaréteggel vonták be, lehetővé téve a forró tartály működését, valamint a fűtőelemet és a hidegtartályt hőmérséklet-érzékelőként.

Matematikai modellezéssel a kutatók kimutatták, hogy az SPhP terjedési hossza a hullámvezető vastagságának csökkenésével nőtt, és elérte a figyelemre méltó, több mint 1 cm-es maximális hosszt. Ennek az az oka, hogy a vékonyabb hullámvezetőkben az üzemmód térfogatának nagyobb része van a vákuumban, és nem tapasztal veszteséget.

Kezdetben azonban ez a nagyobb módú kötet két problémát jelentett a kutatóknak. Megnövelte az SPhP-k szivárgását a környező hordozóba; és csökkentette a csatolást a hullámvezető és a hőtárolók között. E problémák megkerülése érdekében két speciális funkciót építettek be a nanoszalagos kialakításba. A hullámvezetőt és a tartályokat a szubsztrát fölé felfüggesztették, hogy csökkentsék az SPhP mód és a hordozó közötti átfedést, csökkentve a szivárgást. Ezenkívül egy elnyelő fekete-oxid réteg (Fe3O4) került a szilícium-dioxid sínek és a platinaréteg közé, hogy megkönnyítse az SPhP-k felszívódását a termikus tartályokba.

A fekete-oxid döntő fontosságú

Az SPhP-k és az eszköz kialakításának a hőtranszportra gyakorolt ​​hatásának meghatározására a csapat felmelegítette a forró tartályt úgy, hogy feszültséget kapcsolt a platinára, és megmérte a hőmérséklet-emelkedést mindkét tartályban. Kimutatták, hogy a fekete-oxid réteg nélküli minták vezetőképessége jellemző a nem csatolt fononok által közvetített vezetőképességre. Ha azonban fekete-oxid jelen volt, a hővezető képesség akár 34%-kal is megnőtt az ömlesztett szilícium-dioxidhoz képest. Ez arra utal, hogy a fekete-oxid kulcsfontosságú az SPhP-k által a hőnek a hullámvezetőből a tartályba történő szállításában, és hogy a hő nem abszorbeálható hatékonyan e réteg nélkül.

Pei és munkatársai bizonyítékot találtak a ballisztikus hőtranszportra is, ami azt bizonyítja, hogy a vastagabb, szélesebb nanoszalagok hővezető képességét nem befolyásolta a hullámvezető hosszának 49 mikronról 99 mikronra történő növelése. Összehasonlítva ezt a nem csatolt fononok átlagos szabad útjával, amely általában 1 mikron vagy kevesebb, könnyen belátható, hogy az SPhP-k milyen hatással lehetnek a hőtranszportra a nanoelektronikában és a mikroelektronikában. A csapat azt is kimutatta, hogy amikor a nanoszalagok kisebbek voltak, mint az SPhP hullámhossz 1D-ben vagy 2D-ben, akkor két-, illetve egydimenziós hőmérséklet-függést mutattak. Egy ilyen hővezetési rendszert közel két évtizede kerestek.

Ezek az eredmények igazi áttörést jelentenek a mikroelektronika, a nanofotonika és a hőtranszport és az SPhP-k további alapvető tanulmányaiban. A gondos hullámvezető-tervezés, valamint az üzemmód térfogatára és a hőtárolókhoz való kapcsolódásra való különös összpontosítás révén a kutatók először mutattak be SPhP-vel megnövelt hővezető képességet 1D és 2D hőmérséklet-függőséggel. Ez megnyitja az utat az alacsony dimenziós és kvantum hővezetés magas hőmérsékleten történő tanulmányozása felé, és a nanoszalag tervezés további optimalizálásával lehetővé kell tenni a hővezető képesség további javítását.

A kutatás leírása a Nature Communications.

Időbélyeg:

Még több Fizika Világa