Op de snelweg van warmteoverdracht beweegt thermische energie door kwantumdeeltjes die fononen worden genoemd. Maar op de nanometerschaal van de meest geavanceerde halfgeleiders van vandaag kunnen deze fononen niet genoeg warmte afvoeren. Dat is de reden waarom onderzoekers van Purdue University zich richten op het creëren van een nieuwe baan op nanoschaal op de snelweg voor warmteoverdracht met behulp van hybride quasideeltjes die 'polaritonen' worden genoemd.
"We hebben verschillende manieren om energie te beschrijven. Als we het over licht hebben, beschrijven we het in termen van deeltjes die 'fotonen' worden genoemd. Warmte transporteert ook energie op voorspelbare manieren, en we beschrijven deze energiegolven als 'fononen'. Maar soms, afhankelijk van het materiaal, combineren fotonen en fononen om iets nieuws te creëren dat een 'polaron' wordt genoemd. Het transporteert op zijn eigen manier energie en verschilt van zowel fotonen als fononen”, zegt Thomas Beacham, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde.
Net als fotonen en fononen zijn polaronen geen fysieke deeltjes die je kunt zien of vangen. Ze zijn meer een manier om de uitwisseling van energie te beschrijven alsof het deeltjes zijn.
Nog steeds vaag? Om de metafoor te veranderen. "Fononen zijn als een verbrandingsmotor, fotonen zijn als een elektrische auto en polen zijn als een Toyota Prius," zei Beacham. "Ze zijn een hybride van licht en warmte die enkele eigenschappen van beide behouden, maar ze hebben hun eigen speciale kenmerken."
"Polarons zijn overal in gebruikt, van glas-in-lood tot gezondheidstests in huis. Maar hun vermogen om warmte te verplaatsen wordt grotendeels over het hoofd gezien, omdat hun impact pas significant wordt als de afmetingen van materialen erg klein worden." zei Jacob Minyard, een promovendus in het laboratorium van Beschem. "We weten dat fononen het grootste deel van het warmteoverdrachtswerk doen. Polaronen Het effect kan alleen worden waargenomen op nanometerschaal. Maar pas nu moesten we de warmteoverdracht op dit niveau aanpakken, omdat halfgeleiders zo klein en complex zijn geworden dat degenen die deze chips ontwerpen en bouwen hebben ontdekt dat fononen niet efficiënt zijn in het afvoeren van warmte op deze lengteschalen."
Hun onderzoek naar polaronen is geselecteerd als een hoofdartikel in de Journal of Applied Physics.
"Wij in de warmteoverdrachtsgemeenschap hebben polaroneffecten altijd op een materiaalspecifieke manier beschreven", zei Beacham. "Iemand zal een polaroneffect waarnemen in dit materiaal of dat grensvlak. Het is allemaal heel anders. Jacob's artikel bevestigt dat dit geen ongeluk is. Op elk oppervlak dunner dan 10 nanometer beginnen polaronen de warmteoverdracht te domineren." Praktisch. Dat komt overeen met twee keer de grootte van de transistors op de iPhone 15. Wat wij doen is een extra rijstrook creëren op de snelweg. Hoe kleiner de schaal, hoe belangrijker die extra rijstrook wordt, en we moeten nadenken over het ontwerpen van de verkeersstroom om te profiteren van zowel fononen als polaritonen."
Het artikel van Minyard schetst slechts het oppervlak van hoe dit daadwerkelijk zou kunnen worden bereikt. De complexiteit van halfgeleiders betekent dat er veel mogelijkheden zijn om polaronvriendelijke ontwerpen te exploiteren: "Bij de productie van chips zijn veel materialen betrokken, van silicium zelf tot diëlektrica en metalen, en ons onderzoek is gericht op het begrijpen hoe deze materialen kunnen worden gebruikt om warmte efficiënter te geleiden, terwijl we erkennen dat polaronen een geheel nieuwe manier bieden om energie te verplaatsen."
Beacham en Minyard erkennen dit en hopen chipmakers te laten zien hoe ze deze op polariton gebaseerde warmteoverdrachtsprincipes op nanoschaal rechtstreeks in het fysieke ontwerp van de chip kunnen integreren - van de betrokken fysieke materialen tot de vorm en dikte van de chiplagen.
Hoewel het werk momenteel nog theoretisch is, staan fysieke experimenten op het punt te beginnen.
Referenties: Jacob Minyard en Thomas E. Beechem publiceerden een artikel met de titel "Material Properties Governing In-Plane Phonon-Polaron Thermal Conductivity", gepubliceerd in de Journal of Applied Physics op 24 oktober 2023.
doi:10.1063/5.0173917
Samengestelde bron: ScitechDaily