Termiska överväganden blir snabbt en av de allvarligaste designbegränsningarna inom mikroelektronik, speciellt på submikrons skallängder. En studie av forskare från University of Illinois i Urbana-Champaign har visat att termiska standardmodeller kommer att leda till fel svar i ett tredimensionellt problem med värmeöverföring om värmeelementets dimensioner är i storleksordningen en mikron eller mindre .

"När material krymper, reglerna för värmeöverföring ändras också, "förklarade David Cahill, professor i materialvetenskap och teknik vid Illinois. "Vår nuvarande förståelse för nanoskala termotransporter är inte tillräckligt nyanserad för att kvantitativt förutsäga när standardteori inte fungerar. Detta kan påverka utformningen av högeffekts-RF-enheter som används flitigt inom telekommunikationsindustrin-till exempel 4G trådlös infrastruktur. Transistoravståndet i RF-enheter närmar sig snabbt längdskalor där teori baserad på spridning av värme inte är giltig, och de tekniska modeller som för närvarande används kommer inte exakt att förutsäga enhetens drifttemperatur. Temperaturen är en nyckelfaktor för att förutsäga medeltiden till fel. "

"Vår forskning fokuserar på att förstå termiken för termisk transport på submikronlängdskala i närvaro av ett gränssnitt, "förklarade Richard Wilson, huvudförfattare till studien publicerad i Naturkommunikation . "Vår studie fokuserade på en mängd olika kristaller som har kontrollerade skillnader i termiska transportegenskaper, som Si, dopad Si, och SiGe -legeringar, "Sa Wilson." Vi belagde dessa kristaller med en tunn metallfilm, värmde ytan med en laserstråle, och registrerade sedan provets temperaturutveckling.

"På längdskalor som är kortare än kristallens fononmedelfria vägar, värme transporteras ballistiskt, inte diffust. Gränssnitt mellan material komplicerar ytterligare värmeöverföringsproblemet genom att lägga till ytterligare termiskt motstånd. "

Forskare fann att när laserstrålens radie som används för att värma de metallbelagda kristallerna var över tio mikron, de förutsägelser som görs genom att anta att värme transporteras diffust matchade de experimentella observationerna. Dock, när radien närmade sig en mikron, diffusiv teori förutspådde mängden energi som fördes bort från den uppvärmda ytan.

"Vi upptäckte grundläggande skillnader i hur värme transporteras över korta kontra långa sträckor. Fourier -teorin, som antar att värme transporteras genom diffusion, förutspår att en kubisk kristall som kisel kommer att bära värme lika bra i alla riktningar. Vi visade att värme på korta längdskalor inte bärs lika bra i alla riktningar. Genom att mäta provytans temperatur som en funktion av avståndet från mitten av det uppvärmda området, vi kunde avgöra hur långt värmen gick parallellt med ytan, och dra slutsatsen att när värmaren är liten, betydligt mindre värme bärs parallellt med ytan än Fourier -teorin förutspår, "Sa Wilson.

Wilson och Cahill studerade också gränssnittets effekt på nanoskala termisk transport.

"Det har varit välkänt i 75 år att närvaron av en gräns ger värmeöverskridande motstånd mot värmeöverföringsproblemet, men det har alltid antagits att detta gränsmotstånd var lokaliserat till gränssnittet och oberoende av de underliggande materialets termiska transportegenskaper, "Cahill tillagt." Våra experiment visar att dessa antaganden i allmänhet inte är giltiga. Speciellt för kristaller med defekter, gränsmotståndet är fördelat och starkt beroende av defektkoncentrationen. "

Wilson och Cahill gav också en teoretisk beskrivning av deras resultat som kan användas av enhetsingenjörer för att bättre hantera värme och temperatur i nanoskalaenheter.