Прорыв в исследованиях инженерной школы Университета Вирджинии демонстрирует новый механизм контроля температуры и продления срока службы электронных и фотонных устройств, таких как датчики, смартфоны и транзисторы.
Открытие, сделанное в результате экспериментов и моделирования UVA в исследовательской группе теплотехники, ставит под сомнение фундаментальное предположение о теплопередаче в конструкции полупроводников. В устройствах электрические контакты образуются на стыке металла и полупроводникового материала. Традиционно инженеры по материалам и устройствам предполагали, что энергия электронов перемещается через это соединение посредством процесса, называемого инжекцией заряда, сказал руководитель группы Патрик Хопкинс, профессор механической и аэрокосмической инженерии, получивший любезные назначения в области материаловедения, инженерии и физики.
Инжекция заряда предполагает, что с течением электрического заряда электроны физически прыгают из металла в полупроводник, унося с собой избыточное тепло. Это изменяет электрический состав и свойства изоляционных или полупроводниковых материалов. Охлаждение, которое идет рука об руку с впрыском заряда, может значительно снизить эффективность и производительность устройства.
Группа Хопкинса открыла новый путь теплопередачи, который включает преимущества охлаждения, связанные с инжекцией заряда, без каких-либо недостатков электронов, физически движущихся в полупроводниковое устройство. Они называют этот механизм баллистическим тепловым впрыском.
Как описал советник Хопкинса Джон Томко, доктор философии факультета материаловедения и инженерии: «Электрон попадает в мост между своим металлом и полупроводником, видит другой электрон через мост и взаимодействует с ним, передавая тепло, но оставаясь на своей стороне моста. Полупроводниковый материал поглощает много тепла, но количество электронов остается постоянным».
«Возможность охлаждать электрические контакты за счет поддержания постоянной плотности заряда предлагает новое направление в электронном охлаждении, не влияя на электрические и оптические характеристики устройства», — сказал Хопкинс. «Возможность независимо оптимизировать оптические, электрические и тепловые характеристики материалов и устройств повышает производительность и долговечность устройства».
Опыт Томко в области лазерной метрологии — измерения передачи энергии в наномасштабе — показал, что баллистическая тепловая инжекция является новым способом самоохлаждения устройств. Методика измерений Томко, а точнее оптическая лазерная спектроскопия, — это совершенно новый способ измерения теплопередачи на границе раздела металл-полупроводник.
«Предыдущие методы измерения и наблюдения не могли разложить механизм теплопередачи отдельно от инжекции заряда», — сказал Томко.
Для своих экспериментов исследовательская группа Хопкинса выбрала оксид кадмия, прозрачный оксид, проводящий электричество, который выглядит как стекло. Оксид кадмия был прагматичным выбором, потому что его уникальные оптические свойства хорошо подходят для метода измерения лазерной спектроскопии Томко.
Оксид кадмия идеально поглощает фотоны среднего инфракрасного диапазона в форме плазмонов, квазичастиц, состоящих из синхронизированных электронов, которые являются невероятно эффективным способом передачи света в материал. Томко использовал баллистическую тепловую инжекцию для перемещения длины волны света, на которой происходит идеальное поглощение, по существу настраивая оптические свойства оксида кадмия за счет инжектируемого тепла.
«Наши наблюдения за настройкой позволяют нам с уверенностью сказать, что передача тепла происходит без обмена электронами», — сказал Томко.
Томко исследовал плазмоны, чтобы извлечь информацию о количестве свободных электронов на каждой стороне моста между металлом и полупроводником. Таким образом, Томко зафиксировал измерения размещения электронов до и после нагрева и охлаждения металла.
Открытие команды также открывает перспективы для технологий инфракрасного зондирования. Наблюдения Томко показывают, что оптическая настройка длится до тех пор, пока оксид кадмия остается горячим, имея в виду, что время относительное — триллионная, а не квадриллионная секунды.
Баллистическая тепловая инжекция может управлять поглощением плазмонов и, следовательно, оптическим откликом неметаллических материалов. Такой контроль обеспечивает высокоэффективное поглощение плазмонов в средней инфракрасной области. Одно из преимуществ этой разработки заключается в том, что устройства ночного видения можно сделать более чувствительными к внезапным резким изменениям температуры, которые в противном случае привели бы к временной слепоте устройства.
«Реализация этого процесса баллистической термической инжекции через границы раздела металл / оксид кадмия для сверхбыстрых плазмонных приложений открывает нам возможность использовать этот процесс для эффективного охлаждения других связанных с устройством поверхностей раздела материалов», — сказал Хопкинс.
