Pinta-aallot nanorakenteita viilentämään

Tokion yliopiston johtamassa tutkimusryhmässä havaittiin, että hybridipinta-aallot, joita kutsutaan pinta fononi-polaritoneiksi, voivat johtaa lämpöä pois nanokokoisista materiaalirakenteista.

Elektroniikan miniatyroinnin jatkuva kehitys aiheuttaa jäähdytykselle uusia haasteita. Tavanomaista lämmönsiirtoa perusmateriaaleissa hallitsevat akustiset fononit, mutta tähän perustuva lämmönsiirto on saavuttamassa rajansa uusissa pienissä rakenteissa.

Pintavaikutuksista tulee kuitenkin hallitsevia, kun nanorakenteisten laitteiden materiaalit ohenevat, mikä tarkoittaa, että pinta-aallot voivat tarjota apua tähän ongelmaan.

Tokion yliopiston Institute of Industrial Sciencen tutkijoiden johtama ryhmä on nyt osoittanut pintafononipolaritonien (SPhPs) aaltojen tuottamat lämmönjohtavuuden parannukset. Nämä hybridiaallot koostuvat pinnan sähkömagneettisista aalloista ja optisista fononeista, jotka etenevät dielektristen kalvojen pintoja pitkin.

"Loimme SPhPs:tä eri paksuisille piinitridikalvoille ja mittasimme niiden lämmönjohtavuudet laajalla lämpötila-alueella", kertoo tutkimuksen johtava kirjoittaja Yunhui Wu. "Tämä antoi meille mahdollisuuden määrittää SPhPs:en omat vaikutukset ohuemmissa kalvoissa havaittuun parantuneeseen lämmönjohtavuuteen."

Ryhmä havaitsi, että alle 50 nanometriä paksujen kalvojen lämmönjohtavuus tosiasiallisesti kaksinkertaistui, kun lämpötila nousi 300 K:sta 800 K:iin (noin 27 °C - 527 °C). Sitä vastoin 200 nanometrin paksuisen kalvon johtavuus laski samalla lämpötila-alueella, koska akustiset fononit dominoivat edelleen tällä paksuudella.

SPhPs:n tarjoama uusi jäähdytyskanava voi täten kompensoida nanorakenteisissa materiaaleissa esiintyvää pienempää fononin lämmönjohtavuutta. SPhPs:n odotetaankin löytävän sovelluksia piipohjaisten mikroelektronisten ja fotonisten laitteiden lämmönhallinnassa.

Korean Gwangjun tiede- ja teknologiainstituutin (GIST) tutkijat ovat puolestaan kehittäneet uuden tyyppisen täysin passiivisen jäähdytystekniikan, joka absorboi lämpöä kotelon sisäpuolelta ja emittoi sen ulkopuolelle.

Heidän Janus emitteriksi kutsuttu laite käsittää pinon kuvioituja kvartsin, hopean ja polydimetyylisiloksaanin kerroksia. Jokaisella pinnalla on ainutlaatuiset ominaisuudet suljettujen tilojen passiiviseen jäähdyttämiseen.

Toinen puoli rakennetta absorboi laajan spektrin lämpösäteilyä kotelon sisäpuolelta ja kvantti-ilmiö "spoof surface plasmon polaritons", emittoi tämän energian yläpuoliseen ilmakehään selektiivisellä taajuusalueella, joka maksimoi emissiivisyyden.

Laiterakenne ei vaadi sähköä eikä käyttäjältä tietoisia toimia. Näin tämä säteilyjäähdytys sopii pitämään paikallaan olevien ajoneuvojen, rakennusten sisätilojen ja aurinkokennojen lämpötilan alhaisena.

Aiheesta aiemmin:

Vesipisaroiden diodit jäähdyttävät

Hyppivät pisarat jäähdyttävät