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          熱運輸的新基本理解

          時間:2021-06-22 11:52:04 來源:

          來自麻省理工學院的工程師已經開發出一種測量位于碰撞之間的距離的新設備,在微電子中提供更細微的熱量的差別。

          今天的電腦芯片在指甲的寬度內將數十億微小的晶體管包裝在硅的寬度內。每個晶體管,只有數十納米寬,充當與他人在一起的開關,執行計算機的計算。由于晶體管來回信號的濃密森林,它們會發出熱量 - 如果芯片變得太熱,則可以發出電子設備。

          制造商通常應用經典的擴散理論,以衡量晶體管在計算機芯片中的溫度升高。但現在麻省理工學院工程師的實驗表明,這種普通理論并不在極小的長度尺度上保持。本集團的結果表明,擴散理論低估了納米級熱源的溫度升高,例如計算機芯片晶體管。這種誤法可能會影響芯片和其他微電子器件的可靠性和性能。

          “我們驗證了當熱源非常小時,您不能使用擴散理論來計算設備的溫度升高。溫度升高高于擴散預測,在微電子中,您不希望發生這種情況,“麻省理工學院機械工程系負責人康教授康教授說。“所以這可能會改變人們如何考慮如何在微電子中模擬熱問題的方式。”

          本集團,包括凌平曾和研究所的研究生凌平和學院教授麻省理工學院,加州大學洛杉磯和奧斯汀·明尼尼奇的洛杉磯和卡特克奧斯汀·明尼迪什(Caltech)的MIT,在本周在雜志納米技術期間發表了結果。

          聲子意味著自由路徑分布

          在設計實驗后,陳和他的同事得出了他們的結論來測量材料中的熱載體的“卑鄙的自由路徑”分布。在半導體和電介質中,熱量通常以聲子的形式流動 - 波狀顆粒,其通過材料承載熱量并在其傳播期間經歷各種散射。聲子的平均自由路徑是聲子在與另一個顆粒碰撞之前可以攜帶熱量的距離;聲子的平均自由路徑越長,能夠攜帶或進行熱量越好。

          由于平均自由路徑可以在給定材料中從聲子到聲子 - 從幾納米到微米 - 材料表現出平均自由路徑分布或范圍。Chen Carl Richard Soderberg在MIT的電力工程教授推出,測量該分布將提供更詳細的材料的熱攜帶能力,使研究人員能夠改造工程材料,例如,使用納米結構來限制聲子旅行的距離。

          本集團試圖建立一個框架和工具,以測量許多技術有趣的材料中的平均自由路徑分布。有兩種熱傳輸制度:擴散制度和準態度。前者返回散裝導熱率,這掩蓋了重要的自由路徑分布。為了學習“卑鄙的自由路徑”,研究人員意識到他們需要一個小的熱源與聲子均值的自由路徑相比,以訪問準群體,因為較大的熱源將基本上掩蓋了幻象的效果。

          創建納米級熱源是一項重大挑戰:激光只能集中在光波長的尺寸上,大約一個微米 - 超過10倍的均線在一些聲子中的平均自由路徑的長度。為了將激光能量集中到甚至更精細的區域,該團隊將各種尺寸的鋁點圖案,從十幾個微米下降到30納米,穿過硅,硅鍺合金,砷化鎵,氮化鎵和藍寶石的表面。每個點吸收并集中激光的熱量,然后將其作為聲子流過下面的材料流過。

          在他們的實驗中,陳和他的同事使用微制造來改變鋁點的尺寸,并測量從材料反射的脈沖激光的衰減 - 材料中的熱傳播的間接測量。他們發現,隨著熱源的尺寸變小,溫度升高偏離擴散理論。

          它們將其解釋為作為熱源的金屬點變得更小,留下光點的聲子傾向于變得“彈道”,在沒有散射的情況下射過底層材料。在這些情況下,這種聲子對材料的導熱率沒有多大貢獻。但是對于作用于同一材料的大量熱源,聲子傾向于與其他聲子碰撞并更頻繁地散射。在這些情況下,目前正在使用的擴散理論變得有效。

          詳細的運輸圖片

          對于每種材料,研究人員繪制了平均自由路徑的分布,從材料的加熱器尺寸依賴性導熱率重建。總體而言,他們觀察到預期的熱傳導的新圖片:雖然普遍的古典擴散理論適用于大型熱源,但它失效了小的熱源。通過改變熱源的大小,陳和他的同事可以映射碰撞之間的距離旅行多遠,以及它們有助于熱傳導。

          曾說,該集團的實驗設置可用于更好地理解,并且可能曲調材料的導熱率。例如,如果工程師希望具有某些熱性質的材料,則平均自由路徑分布可以用作在提示聲子碰撞的材料位置內設計特定的“散射中心”的藍圖,又散射熱傳播,導致減少熱攜帶能力。盡管在保持計算機芯片冷卻時,這種效果是不希望的,但它們適用于熱電裝置,其將熱量轉換為電力。對于這種應用,需要導電但是熱絕緣的材料。

          “重要的是,我們有一個光譜學工具來測量均值的自由路徑分布,并且該分布對于許多技術應用很重要,”曾說。

          該研究部分由MIT的固態太陽能熱能轉換中心部分資助,該中心由美國能源部資助。

          出版物:永杰胡等,“通過納米球傳輸的熱導率的光譜映射”,“自然納米技術(2015); DOI:10.1038 / nnano.2015.109

          圖像:麻省理工學院; Istock.


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