Elektroniaaltojen kuljettama lämpö

Uusi havainto lämmönsiirrosta elektroneja sisältävien pinta-aaltojen avulla voi johtaa mikromittakaavaisten elektronisten komponenttien parempiin jäähdytysstrategioihin.

Elektronisten laitteiden pienentyessä niiden viileänä pitäminen on suuri haaste. Pienetkin sähkövirrat voivat tuottaa tarpeeksi lämpöä vahingoittaakseen hyvin pieniä komponentteja.

Uudet kokeet osoittavat, että pintaplasmonipolaritoneiksi (SPP:t) kutsutut pintaelektroniaallot voivat auttaa haihduttamaan lämpöä mikromittakaavaisissa laitteissa.

Tutkijat mittasivat näiden pintaviritteiden kuljettamaa lämpöä ohuissa metallikalvoissa ja havaitsivat, että SPP:n osuus voisi lisätä lämmön kokonaishaihduttamista jopa neljänneksellä. Tällaisten kalvojen jatkosuunnittelu saattaa lisätä SPP:iden kuljettaman lämmön määrää.

Tiheys, jolla laitteet, kuten transistorit, pakataan nyt integroituihin piireihin, tekee lämmönhallinnasta yhden elektroniikka- ja tietotekniikan suurimmista haasteista. Kun komponentit, kuten ohuet metallikalvot tai puolijohteet saavuttavat nanomittakaavan, ongelmaa voi pahentaa se, että materiaalien kollektiiviset atomivärähtelyt (fononit) ovat niin rajallisia, etteivät ne voi johtaa lämpöä tehokkaasti pois kuumista pisteistä.

Yksi tapa kompensoida tätä kokovaikutusta on mobilisoida muun tyyppinen viritys lämmön haihduttamiseksi. Jotkut tutkijat ovat pyrkineet hyödyntämään pintafononipolaritoneja, jotka ovat atomihilan kollektiivisia värähtelyjä, jotka ovat vuorovaikutuksessa valoaaltojen kanssa materiaalin pinnalla.

Mutta toistaiseksi kukaan ei ole osoittanut näiden viritteiden lämmönjohtavuuden paranemista yleisimmissä laitekokoonpanoissa, ohuessa kalvossa, joka makaa toisen materiaalin päällä.

Bong Jae Lee Korea Advanced Institute of Science and Technology -instituutista ja työtoverit ajattelivat, että erilainen, mutta samankaltainen pintaviritys, SPP, voisi tehdä työn sen sijaan.

Tässä valoaaltoon kytkeytyvä aaltomainen viritys ei tapahdu atomien värähtelyissä vaan liikkuvissa elektroneissa, jotka kuljettavat virtaa lähellä pintaa. Ohutkalvon elektronit voivat siten kuljettaa lämpöenergiaa pois kuumasta pisteestä muodostamalla SPP:itä, jotka kulkevat pinnan poikki.

"Tämä on ensimmäinen kokeellinen osoitus siitä, että SPP:t edistävät lämmönsiirtoa", sanoo Masahiro Nomura Tokion yliopistosta, puolijohteen nanorakenteiden lämpöfysiikan asiantuntija. "Tämä esittely on erittäin tärkeä, koska se avaa uuden lämmönsiirtokanavan."

Aiheesta aiemmin:

Lämmönhallintaa nanoelektroniikalle

Pinta-aallot nanorakenteita viilentämään