Una Nueva Comprensión Fundamental Del Transporte Térmico

Nueva herramienta mide las colisiones de fonones

Ingenieros de MIT han desarrollado un nuevo dispositivo que mide la distancia entre las colisiones de fonones, proporcionando una imagen más matizada de la producción de calor en microelectrónica.

Los chips de computadora actuales empaquetan miles de millones de pequeños transistores en una placa de silicio del ancho de una uña. Cada transistor, de apenas decenas de nanómetros de ancho, actúa como un interruptor que, junto con otros, realiza los cálculos de una computadora. A medida que los densos bosques de transistores emiten señales de ida y vuelta, emiten calor, lo que puede freír los componentes electrónicos si un chip se calienta demasiado.

Los fabricantes suelen aplicar una teoría de la difusión clásica para medir el aumento de temperatura de un transistor en un chip de computadora. Pero ahora un experimento realizado por ingenieros del MIT sugiere que esta teoría común no se sostiene en escalas de longitud extremadamente pequeñas. Los resultados del grupo indican que la teoría de la difusión subestima el aumento de temperatura de las fuentes de calor a nanoescala, como los transistores de un chip de computadora. Tal error de cálculo podría afectar la confiabilidad y el rendimiento de los chips y otros dispositivos microelectrónicos.

“Verificamos que cuando la fuente de calor es muy pequeña, no se puede usar la teoría de la difusión para calcular el aumento de temperatura de un dispositivo. El aumento de temperatura es más alto que la predicción de difusión, y en microelectrónica, no quieres que eso suceda ”, dice el profesor Gang Chen, jefe del Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT. “Así que esto podría cambiar la forma en que la gente piensa sobre cómo modelar los problemas térmicos en microelectrónica”.

El grupo, que incluye al estudiante de posgrado Lingping Zeng y la profesora del Instituto Mildred Dresselhaus del MIT, Yongjie Hu de la Universidad de California en Los Ángeles y Austin Minnich de Caltech, ha publicado sus resultados esta semana en la revista Nature Nanotechnology.

Phonon media distribución de ruta libre

Chen y sus colegas llegaron a su conclusión después de idear un experimento para medir la distribución del “camino libre medio” de los portadores de calor en un material. En semiconductores y dieléctricos, el calor fluye típicamente en forma de fonones, partículas en forma de ondas que transportan calor a través de un material y experimentan diversas dispersiones durante su propagación. El camino libre medio de un fonón es la distancia que un fonón puede transportar calor antes de chocar con otra partícula; cuanto más largo es el camino libre medio de un fonón, mejor es capaz de transportar o conducir calor.

Como el camino libre medio puede variar de un fonón a otro en un material dado, desde varios nanómetros a micrones, el material exhibe una distribución o rango de camino libre medio. Chen, el profesor Carl Richard Soderberg de ingeniería energética en el MIT, razonó que medir esta distribución proporcionaría una imagen más detallada de la capacidad de transporte de calor de un material, lo que permitiría a los investigadores diseñar materiales, por ejemplo, utilizando nanoestructuras para limitar la distancia que viajan los fonones. .

El grupo trató de establecer un marco y una herramienta para medir la distribución media del camino libre en varios materiales tecnológicamente interesantes. Hay dos regímenes de transporte térmico: régimen difusivo y régimen cuasibalístico. El primero devuelve la conductividad térmica a granel, que enmascara la importante distribución de trayectoria libre media. Para estudiar los caminos libres medios de los fonones, los investigadores se dieron cuenta de que necesitarían una pequeña fuente de calor en comparación con el camino libre medio de los fonones para acceder al régimen cuasibalístico, ya que las fuentes de calor más grandes esencialmente enmascararían los efectos de los fonones individuales.

La creación de fuentes de calor a nanoescala fue un desafío importante: los láseres solo pueden enfocarse en un punto del tamaño de la longitud de onda de la luz, aproximadamente un micrón, más de 10 veces la longitud del camino libre medio en algunos fonones. Para concentrar la energía de la luz láser en un área aún más fina, el equipo modeló puntos de aluminio de varios tamaños, desde decenas de micrómetros hasta 30 nanómetros, en la superficie de silicio, silicio germanio aleación , arseniuro de galio, nitruro de galio y zafiro. Cada punto absorbe y concentra el calor de un láser, que luego fluye a través del material subyacente como fonones.

En sus experimentos, Chen y sus colegas utilizaron la microfabricación para variar el tamaño de los puntos de aluminio y midieron la desintegración de un láser pulsado reflejado en el material, una medida indirecta de la propagación del calor en el material. Descubrieron que a medida que el tamaño de la fuente de calor se vuelve más pequeño, el aumento de temperatura se desvía de la teoría de la difusión.

Ellos interpretan que a medida que los puntos de metal, que son fuentes de calor, se vuelven más pequeños, los fonones que salen de los puntos tienden a volverse “balísticos”, disparando a través del material subyacente sin dispersarse. En estos casos, tales fonones no contribuyen mucho a la conductividad térmica de un material. Pero para fuentes de calor mucho más grandes que actúan sobre el mismo material, los fonones tienden a chocar con otros fonones y se dispersan con más frecuencia. En estos casos cobra validez la teoría de la difusión que se encuentra actualmente en uso.

Una imagen de transporte detallada

Para cada material, los investigadores trazaron una distribución de caminos libres medios, reconstruidos a partir de la conductividad térmica dependiente del tamaño del calentador de un material. En general, observaron la nueva imagen anticipada de la conducción de calor: si bien la teoría de la difusión clásica y común es aplicable a grandes fuentes de calor, falla para las pequeñas. Al variar el tamaño de las fuentes de calor, Chen y sus colegas pueden trazar qué tan lejos viajan los fonones entre colisiones y cuánto contribuyen a la conducción de calor.

Zeng dice que la configuración experimental del grupo se puede utilizar para comprender mejor y, potencialmente, ajustar la conductividad térmica de un material. Por ejemplo, si un ingeniero desea un material con ciertas propiedades térmicas, la distribución de la trayectoria libre media podría servir como modelo para diseñar “centros de dispersión” específicos dentro del material: ubicaciones que provocan colisiones de fonones, que a su vez dispersan la propagación del calor, lo que conduce a una reducción capacidad de transporte de calor. Aunque tales efectos no son deseables para mantener frío un chip de computadora, son adecuados en dispositivos termoeléctricos, que convierten el calor en electricidad. Para tales aplicaciones, se desean materiales que sean eléctricamente conductores pero térmicamente aislantes.

“Lo importante es que tenemos una herramienta de espectroscopia para medir la distribución de la ruta libre media, y esa distribución es importante para muchas aplicaciones tecnológicas”, dice Zeng.

Esta investigación fue financiada en parte por el Centro de Conversión de Energía Solar Térmica de Estado Sólido del MIT, que es financiado por el Departamento de Energía de EE. UU.

Publicación : Yongjie Hu, et al., “Mapeo espectral de la conductividad térmica a través del transporte balístico a nanoescala”, Nature Nanotechnology (2015); doi: 10.1038 / nnano.2015.109

Imagen: MIT; iStock

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