På värmeöverföringens motorväg förflyttas termisk energi med hjälp av kvantpartiklar som kallas fononer. Men på nanoskala av dagens mest banbrytande halvledare tar dessa fononer inte bort tillräckligt med värme. Det är därför Purdue University forskare är fokuserade på att öppna en ny nanoskala körfält på värmeöverföringsmotorvägen genom att använda hybrid kvasipartiklar som kallas "polaritoner."

Thomas Beechem älskar värmeöverföring. Han pratar om det högt och stolt, som en predikant vid ett stort tältväckelse.

"Vi har flera sätt att beskriva energi", säger Beechem, docent i maskinteknik. "När vi talar om ljus, beskriver vi det i termer av partiklar som kallas "fotoner." Värme bär också energi på förutsägbara sätt, och vi beskriver dessa energivågor som "fononer". Men ibland, beroende på material, kommer fotoner och fononer att mötas och göra något nytt som kallas en "polariton". Den bär energi på sitt eget sätt, skilt från både fotoner och fononer."

Precis som fotoner och fononer är polaritoner inte fysiska partiklar som du kan se eller fånga. De är mer som sätt att beskriva energiutbyte som om de vore partiklar.

Fortfarande luddig? Vad sägs om en annan analogi. "Fononer är som förbränningsfordon, och fotoner är som elektriska fordon," sa Beechem. "Polariton är en Toyota Prius. De är en hybrid av ljus och värme, och behåller en del av egenskaperna hos båda. Men de är sin egen speciella sak."

Polaritoner har använts i optiska applikationer – allt från målat glas till hälsotester i hemmet. Men deras förmåga att flytta värme har till stor del ignorerats, eftersom deras påverkan blir betydande först när materialstorleken blir mycket liten. "Vi vet att fononer gör en majoritet av arbetet med att överföra värme", säger Jacob Minyard, en Ph.D. student i Beechems labb.

"Effekten av polaritoner är bara observerbar på nanoskala. Men vi har aldrig behövt ta itu med värmeöverföring på den nivån förrän nu, på grund av halvledare."

"Halvledare har blivit så otroligt små och komplexa", fortsatte han. "Människor som designar och bygger dessa chips upptäcker att fononer inte effektivt sprider värme i dessa mycket små skalor. Vårt dokument visar att polaritoner kan bidra med en större del av värmeledningsförmågan vid dessa längdskalor."

Deras forskning om polaritoner har valts ut som en utvald artikel i Journal of Applied Physics .

"Vi i värmeöverföringssamhället har varit mycket materialspecifika när vi beskrivit effekten av polaritoner", säger Beechem. "Någon kommer att observera det i det här materialet eller vid det gränssnittet. Det hela är väldigt olikartat. Jacobs tidning har fastställt att detta inte är någon slumpmässig sak. Polaritoner börjar dominera värmeöverföringen på alla ytor som är tunnare än 10 nanometer. Det är dubbelt så stort. som transistorerna på en iPhone 15."

Nu blir Beechem riktigt pigg. "Vi har i princip öppnat upp ett helt extra körfält på motorvägen. Och ju mindre skalorna blir, desto viktigare blir det här extra körfältet. När halvledare fortsätter att krympa måste vi tänka på att utforma trafikflödet för att dra fördel av båda banor:fononer och polaritoner."

Minyards papper skrapar bara på ytan av hur detta praktiskt kan hända. Komplexiteten hos halvledare gör att det finns många möjligheter att dra nytta av polaritonvänliga konstruktioner. "Det finns många material involverade i spåntillverkning, från själva kislet till dielektrikum och metaller," sa Minyard. "Vägen framåt för vår forskning är att förstå hur dessa material kan användas för att leda värme mer effektivt, och inse att polaritoner ger en helt ny bana för att flytta energi."

Beechem och Minyard inser detta och vill visa chiptillverkarna hur de kan införliva dessa polaritonbaserade nanoskala värmeöverföringsprinciper direkt i chipets fysiska design – från de fysiska materialen som är involverade till skiktens form och tjocklek.

Även om detta arbete är teoretiskt nu, är fysiska experiment mycket på gång – det är därför Beechem och Minyard är glada över att vara på Purdue.

"Värmeöverföringssamhället här på Purdue är så robust," sa Beechem. "Vi kan bokstavligen gå upp på övervåningen och prata med Xianfan Xu, som hade en av de första experimentella insikterna om denna effekt. Sedan kan vi gå över till Flex Lab och fråga Xiulin Ruan om hans banbrytande arbete inom fononspridning. Och vi har faciliteterna här på Birck Nanotechnology Center för att bygga experiment i nanoskala och använda unika mätverktyg för att bekräfta våra resultat. Det är verkligen en forskardröm."

Mer information: Jacob Minyard et al, Materialegenskaper som styr fonon-polariton termisk konduktans i planet, Journal of Applied Physics (2023). DOI:10.1063/5.0173917

Journalinformation: Journal of Applied Physics

Tillhandahålls av Purdue University