Polariton fonon permukaan meningkatkan konduktivitas termal – Dunia Fisika

Bahan dengan konduktivitas termal yang tinggi banyak dicari untuk digunakan pada perangkat elektronik karena bahan tersebut dengan cepat menghilangkan panas berlebih sehingga menghasilkan kinerja yang optimal. Namun, seiring dengan ukuran perangkat yang semakin kecil dan bekerja lebih cepat, menghilangkan panas menjadi semakin sulit.

Studi terbaru menunjukkan bahwa polariton fonon permukaan (SPhPs) – partikel kuasi yang muncul dari penggabungan antara fonon dan foton – dapat meningkatkan konduktivitas termal pada material tertentu. Kini, para peneliti di Universitas California San Diego telah mendemonstrasikan hal ini untuk pertama kalinya dalam pandu gelombang nanoribbon silikon dioksida.

SPhPs adalah eksitasi mirip partikel yang terjadi pada permukaan material tertentu, khususnya dielektrik polar. Mereka terbentuk oleh interaksi antara osilasi terkuantisasi dari kisi kristal (fonon) dan gelombang elektromagnetik (foton). SPhP dapat mengangkut panas dalam jumlah besar di sepanjang permukaan material karena komponen fononnya. Namun, sifat fotonik SPhP berarti jalur propagasi bebas rata-ratanya jauh lebih panjang dibandingkan fonon yang tidak berpasangan. Hal ini menjadikan SPhP kandidat ideal untuk pengangkutan panas jarak jauh. Beberapa penelitian terbaru memberikan bukti untuk peningkatan ini, dan sekarang juga di San Diego Yu Pei dan rekannya telah membuat demonstrasi pertama yang jelas tentang peningkatan konduktivitas termal oleh SPhPs.

Waduk panas dan dingin

Tim membuat perangkat yang terdiri dari dua rel silikon dioksida paralel yang dihubungkan oleh pandu gelombang silikon dioksida yang lebih sempit dalam konfigurasi yang menyerupai huruf H (lihat gambar). Rel silikon dioksida bertindak sebagai reservoir panas panas dan dingin. Ini dilapisi dengan lapisan platinum, memungkinkan reservoir panas berfungsi dan pemanas serta reservoir dingin sebagai sensor suhu.

Melalui pemodelan matematis, para peneliti menunjukkan bahwa panjang propagasi SPhP meningkat seiring dengan berkurangnya ketebalan pandu gelombang, mencapai panjang maksimum yang luar biasa yaitu lebih dari 1 cm. Hal ini karena, pada pandu gelombang yang lebih tipis, sebagian besar volume mode berada dalam ruang hampa dan tidak mengalami kehilangan.

Namun pada awalnya, volume mode yang lebih besar ini menimbulkan dua masalah bagi para peneliti. Ini meningkatkan kebocoran SPhP ke substrat sekitarnya; dan itu mengurangi kopling antara pandu gelombang dan reservoir termal. Untuk menghindari masalah ini, dua fitur khusus dimasukkan ke dalam desain nanoribbon. Pandu gelombang dan reservoir digantung di atas substrat untuk mengurangi tumpang tindih antara mode SPhP dan substrat, sehingga mengurangi kebocoran. Juga, lapisan penyerap oksida hitam (Fe₃O₄) diapit di antara rel silikon dioksida dan lapisan platinum untuk memfasilitasi penyerapan SPhP oleh reservoir termal.

Oksida hitam sangat penting

Untuk mengetahui pengaruh SPhP dan desain perangkat pada transportasi termal, tim memanaskan reservoir panas dengan memberikan tegangan ke platina dan mengukur kenaikan suhu di kedua reservoir. Mereka menunjukkan bahwa sampel tanpa lapisan oksida hitam memiliki konduktivitas khas yang dimediasi oleh fonon tak berpasangan. Namun, ketika oksida hitam hadir, konduktivitas termal meningkat hingga 34% dibandingkan dengan silikon dioksida curah. Hal ini menunjukkan bahwa oksida hitam sangat penting untuk pengangkutan panas oleh SPhP dari pandu gelombang ke reservoir dan panas tidak dapat diserap secara efektif tanpa lapisan ini.

Eksiton-polarisasi meningkatkan respons magneto-optik pada kristal van der Waals

Pei dan rekannya juga menemukan bukti perpindahan panas balistik, yang menunjukkan bahwa konduktivitas termal pita nano yang lebih tebal dan lebih lebar tidak terpengaruh dengan bertambahnya panjang pandu gelombang dari 49 mikron menjadi 99 mikron. Membandingkannya dengan jalur bebas rata-rata fonon tak berpasangan, yang cenderung 1 mikron atau kurang, mudah untuk melihat dampak SPhP terhadap perpindahan panas dalam nanoelektronik dan mikroelektronika. Tim juga menunjukkan bahwa, ketika nanoribbon lebih kecil dari panjang gelombang SPhP dalam 1D atau 2D, mereka masing-masing menunjukkan ketergantungan suhu dua dimensi dan satu dimensi. Rezim konduksi panas seperti itu telah dicari selama hampir dua dekade.

Hasil ini mewakili terobosan nyata untuk mikroelektronika, nanofotonik, dan studi mendasar lebih lanjut dalam transportasi panas dan SPhPs. Melalui desain pandu gelombang yang cermat dan fokus khusus pada volume mode dan penggabungan ke dalam reservoir termal, para peneliti menunjukkan peningkatan konduktivitas termal SPhP dengan ketergantungan suhu 1D dan 2D, keduanya untuk pertama kalinya. Hal ini akan membuka jalan menuju studi konduktansi panas kuantum dan dimensi rendah pada suhu tinggi, dan, dengan optimalisasi tambahan pada desain nanoribbon, peningkatan konduktivitas termal lebih lanjut dapat dilakukan.

Penelitian tersebut dijelaskan dalam Alam Komunikasi.

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• PlatoData.Jaringan Vertikal Generatif Ai. Berdayakan Diri Anda. Akses Di Sini.
• PlatoAiStream. Intelijen Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• PlatoESG. Karbon, teknologi bersih, energi, Lingkungan Hidup, Tenaga surya, Penanganan limbah. Akses Di Sini.
• PlatoHealth. Kecerdasan Uji Coba Biotek dan Klinis. Akses Di Sini.
• Sumber: https://physicsworld.com/a/surface-phonon-polaritons-enhance-thermal-conductivity/