I polaritoni fononici di superficie migliorano la conduttività termica – Physics World

I materiali con elevata conduttività termica sono ricercati per l'uso nei dispositivi elettronici perché rimuovono rapidamente il calore in eccesso, consentendo prestazioni ottimali. Tuttavia, poiché i dispositivi diventano più piccoli e funzionano più velocemente, rimuovere il calore sta diventando sempre più impegnativo.

Studi recenti hanno suggerito che i polaritoni fononici di superficie (SPhP) – quasiparticelle che derivano dall’accoppiamento tra fononi e fotoni – potrebbero migliorare la conduttività termica in alcuni materiali. Ora, i ricercatori dell’Università della California a San Diego lo hanno dimostrato per la prima volta nelle guide d’onda nanonastri di biossido di silicio.

Gli SPhP sono eccitazioni simili a particelle che si verificano sulla superficie di alcuni materiali, in particolare i dielettrici polari. Si formano dall'interazione tra oscillazioni quantizzate del reticolo cristallino (fononi) e onde elettromagnetiche (fotoni). Gli SPhP possono trasportare grandi quantità di calore lungo la superficie di un materiale grazie alla loro componente fonone. Tuttavia, la natura fotonica degli SPhP significa che il loro percorso libero medio di propagazione è molto più lungo rispetto ai fononi disaccoppiati. Ciò rende gli SPhP un candidato ideale per il trasporto di calore a lungo raggio. Alcune ricerche recenti forniscono prove di questo miglioramento, e ora anche quelle di San Diego Yu Pei e colleghi hanno fatto la prima dimostrazione inequivocabile del miglioramento della conduttività termica da parte degli SPhP.

Serbatoi caldi e freddi

Il team ha costruito un dispositivo comprendente due binari paralleli di biossido di silicio collegati da una guida d'onda di biossido di silicio più stretta in una configurazione che ricorda la lettera H (vedi figura). Le rotaie di biossido di silicio fungevano da serbatoi termici caldi e freddi. Questi erano rivestiti con uno strato di platino, consentendo al serbatoio caldo di fungere da riscaldatore e al serbatoio freddo da sensore di temperatura.

Attraverso la modellazione matematica, i ricercatori hanno dimostrato che la lunghezza di propagazione dell'SPhP aumenta al diminuire dello spessore della guida d'onda, raggiungendo una lunghezza massima notevole di oltre 1 cm. Questo perché, nelle guide d'onda più sottili, una percentuale maggiore del volume modale esiste nel vuoto e non subisce alcuna perdita.

Inizialmente, tuttavia, questo volume di modalità più grande presentava due problemi ai ricercatori. Ha aumentato la fuoriuscita degli SPhP nel substrato circostante; e ha ridotto l'accoppiamento tra la guida d'onda e i serbatoi termici. Per aggirare questi problemi, nel design del nanoribbon sono state incorporate due caratteristiche speciali. La guida d'onda e i serbatoi sono stati sospesi sopra il substrato per ridurre la sovrapposizione tra la modalità SPhP e il substrato, riducendo le perdite. Inoltre, uno strato assorbente di ossido nero (Fe₃O₄) è stato inserito tra le rotaie di biossido di silicio e lo strato di platino per facilitare l'assorbimento degli SPhP da parte dei serbatoi termici.

L'ossido nero è fondamentale

Per determinare l'effetto degli SPhP e della progettazione del dispositivo sul trasporto termico, il team ha riscaldato il serbatoio caldo applicando una tensione al platino e ha misurato l'aumento di temperatura in entrambi i serbatoi. Hanno dimostrato che i campioni senza lo strato di ossido nero mostrato avevano una conduttività tipica di quella mediata da fononi disaccoppiati. Quando era presente l'ossido nero, tuttavia, la conduttività termica aumentava fino al 34% rispetto al biossido di silicio sfuso. Ciò suggerisce che l’ossido nero è cruciale per il trasporto del calore da parte degli SPhP dalla guida d’onda al serbatoio e che il calore non può essere assorbito efficacemente senza questo strato.

Gli eccitoni-polaritoni migliorano le risposte magneto-ottiche nei cristalli di van der Waals

Pei e colleghi hanno anche trovato prove di trasporto di calore balistico, dimostrando che la conduttività termica di nanonastri più spessi e più larghi non è stata influenzata dall’aumento della lunghezza della guida d’onda da 49 micron a 99 micron. Confrontando questo con il percorso libero medio dei fononi disaccoppiati, che tende a essere 1 micron o meno, è facile vedere l'impatto che gli SPhP potrebbero avere sul trasporto del calore nella nanoelettronica e nella microelettronica. Il team ha anche dimostrato che, quando i nanonastri erano più piccoli della lunghezza d’onda SPhP in 1D o 2D, mostravano rispettivamente una dipendenza dalla temperatura bidimensionale e unidimensionale. Un tale regime di conduzione del calore è stato ricercato per quasi due decenni.

Questi risultati rappresentano una vera svolta per la microelettronica, la nanofotonica e ulteriori studi fondamentali sul trasporto del calore e sugli SPhP. Attraverso un'attenta progettazione della guida d'onda e un'attenzione specifica al volume modale e all'accoppiamento con i serbatoi termici, i ricercatori hanno dimostrato per la prima volta la conduttività termica potenziata da SPhP con dipendenza dalla temperatura 1D e 2D. Ciò aprirà la strada verso lo studio della conduttanza termica a bassa dimensione e quantistica ad alte temperature e, con un'ulteriore ottimizzazione della progettazione del nanoribbon, dovrebbe essere possibile un ulteriore miglioramento della conduttività termica.

La ricerca è descritta in Nature Communications.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/surface-phonon-polaritons-enhance-thermal-conductivity/