Devido ao progresso contínuo na miniaturização de dispositivos microeletrônicos e fotônicos de silício, o resfriamento de estruturas de dispositivos é cada vez mais desafiador. O transporte convencional de calor em materiais a granel é dominado por fônons acústicos, que são quasipartículas que representam as vibrações da rede do material, semelhante à maneira como os fótons representam as ondas de luz. Infelizmente, esse tipo de resfriamento está atingindo seu limite nessas estruturas minúsculas.
No entanto, os efeitos de superfície tornam-se dominantes à medida que os materiais em dispositivos nanoestruturados se tornam mais finos, o que significa que as ondas de superfície podem fornecer a solução de transporte térmico necessária. Fônon-polaritons de superfície (SPhPs) – ondas híbridas compostas de ondas eletromagnéticas de superfície e fônons ópticos que se propagam ao longo das superfícies de membranas dielétricas – mostraram-se particularmente promissores, e uma equipe liderada por pesquisadores do Instituto de Ciência Industrial da Universidade de Tóquio agora demonstrou e verificou os aprimoramentos de condutividade térmica fornecidos por essas ondas.
“Geramos SPhPs em membranas de nitreto de silício com várias espessuras e medimos as condutividades térmicas dessas membranas em amplas faixas de temperatura”, disse o autor principal do estudo Yunhui Wu. “Isso nos permitiu estabelecer as contribuições específicas das SPhPs para a melhoria da condutividade térmica observada nas membranas mais finas.”
A equipe observou que a condutividade térmica das membranas com espessuras de 50 nm ou menos, na verdade, dobrou quando a temperatura aumentou de 300 K para 800 K (aproximadamente 27 ° C para 527 ° C). Em contraste, a condutividade de uma membrana de 200 nm de espessura diminuiu na mesma faixa de temperatura porque os fônons acústicos ainda dominavam naquela espessura.
“As medições mostraram que a função dielétrica do nitreto de silício não mudou muito ao longo da faixa de temperatura experimental, o que significa que as melhorias térmicas observadas podem ser atribuídas à ação das SPhPs”, explica Masahiro Nomura, do Instituto de Ciência Industrial, autor sênior de o estudo. “O comprimento de propagação do SPhP ao longo da interface da membrana aumenta quando a espessura da membrana diminui, o que permite que os SPhPs conduzam muito mais energia térmica do que os fônons acústicos ao usar essas membranas muito finas.”
O novo canal de resfriamento fornecido pelos SPhPs pode, assim, compensar a reduzida condutividade térmica dos fônons que ocorre em materiais nanoestruturados. Espera-se que os SPhPs encontrem aplicações no gerenciamento térmico de dispositivos microeletrônicos e fotônicos baseados em silício.
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