Dagens datorchips packar miljarder små transistorer på en platta av kisel inom en fingernagels bredd. Varje transistor, bara tiotals nanometer bred, fungerar som en strömbrytare som, i samverkan med andra, utför en dators beräkningar. När täta skogar av transistorer signalerar fram och tillbaka, de avger värme – som kan steka elektroniken, om ett chips blir för varmt.

Tillverkare tillämpar vanligtvis en klassisk diffusionsteori för att mäta en transistors temperaturökning i ett datorchip. Men nu tyder ett experiment av MIT-ingenjörer på att denna vanliga teori inte håller i extremt små längdskalor. Gruppens resultat indikerar att diffusionsteorin underskattar temperaturökningen hos värmekällor i nanoskala, såsom ett datorchips transistorer. En sådan felberäkning kan påverka tillförlitligheten och prestandan hos chips och andra mikroelektroniska enheter.

"Vi verifierade att när värmekällan är mycket liten, du kan inte använda diffusionsteorin för att beräkna temperaturökningen för en enhet. Temperaturökningen är högre än diffusionsprognosen, och inom mikroelektronik, du vill inte att det ska hända, " säger professor Gang Chen, chef för institutionen för maskinteknik vid MIT. "Så det här kan förändra hur människor tänker på hur man modellerar termiska problem i mikroelektronik."

Gruppen, inklusive doktorand Lingping Zeng och institutprofessor Mildred Dresselhaus vid MIT, Yongjie Hu från University of California i Los Angeles, och Austin Minnich från Caltech, har publicerat sina resultat denna vecka i tidskriften Naturens nanoteknik .

Phonon betyder fri sökvägsdistribution

Chen och hans kollegor kom till sin slutsats efter att ha utformat ett experiment för att mäta värmebärares "medelfria väg"-fördelning i ett material. I halvledare och dielektrika, värme flödar vanligtvis i form av fononer - vågliknande partiklar som transporterar värme genom ett material och upplever olika spridningar under sin utbredning. En fonon genomsnittliga fria väg är avståndet en fonon kan bära värme innan den kolliderar med en annan partikel; ju längre en fonons elaka fria väg, desto bättre kan den bära, eller uppförande, värme.

Eftersom den genomsnittliga fria vägen kan variera från fonon till fonon i ett givet material - från flera nanometer till mikron - uppvisar materialet en medelfri vägfördelning, eller räckvidd. Chen, Carl Richard Söderberg professor i kraftteknik vid MIT, resonerade att mätning av denna fördelning skulle ge en mer detaljerad bild av ett materials värmebärande förmåga, gör det möjligt för forskare att konstruera material, till exempel, använda nanostrukturer för att begränsa avståndet som fononer färdas.

Gruppen försökte etablera ett ramverk och ett verktyg för att mäta den genomsnittliga fria vägfördelningen i ett antal tekniskt intressanta material. Det finns två termiska transportregimer:diffusiv regim och kvasiballistisk regim. Den förra returnerar huvuddelen av värmeledningsförmågan, vilket maskerar den viktiga medelfria vägfördelningen. För att studera fononernas medelfria vägar, forskarna insåg att de skulle behöva en liten värmekälla jämfört med fononens medelfria väg för att komma åt den kvasiballistiska regimen, eftersom större värmekällor i huvudsak skulle maskera enskilda fononers effekter.

Att skapa värmekällor i nanoskala var en betydande utmaning:Lasrar kan bara fokuseras till en punkt som är lika stor som ljusets våglängd, ungefär en mikron – mer än 10 gånger längden av den genomsnittliga fria banan i vissa fononer. För att koncentrera laserljusenergin till ett ännu finare område, laget mönstrade aluminiumprickar i olika storlekar, från tiotals mikrometer ner till 30 nanometer, över kiselytan, kiselgermaniumlegering, galliumarsenid, galliumnitrid, och safir. Varje prick absorberar och koncentrerar en lasers värme, som sedan flyter genom det underliggande materialet som fononer.

I sina experiment, Chen och hans kollegor använde mikrotillverkning för att variera storleken på aluminiumprickarna, och mätte sönderfallet av en pulsad laser reflekterad från materialet - ett indirekt mått på värmeutbredningen i materialet. De fann att när storleken på värmekällan blir mindre, temperaturökningen avviker från diffusionsteorin.

De tolkar det som metallprickarna, som är värmekällor, bli mindre, fononer som lämnar prickarna tenderar att bli "ballistiska, " skjuta över det underliggande materialet utan att spridas. I dessa fall, sådana fononer bidrar inte mycket till ett materials värmeledningsförmåga. Men för mycket större värmekällor som verkar på samma material, fononer tenderar att kollidera med andra fononer och sprids oftare. I dessa fall, diffusionsteorin som för närvarande används blir giltig.

En detaljerad transportbild

För varje material, forskarna ritade en fördelning av genomsnittliga fria vägar, rekonstruerad från den värmare storleksberoende värmeledningsförmågan hos ett material. Övergripande, de observerade den förväntade nya bilden av värmeledning:Medan den vanliga, klassisk diffusionsteori är tillämplig på stora värmekällor, det misslyckas för små värmekällor. Genom att variera storleken på värmekällor, Chen och hans kollegor kan kartlägga hur långt fononer färdas mellan kollisioner, och hur mycket de bidrar till värmeledning.

Zeng säger att gruppens experimentupplägg kan användas för att bättre förstå, och eventuellt stämma, ett materials värmeledningsförmåga. Till exempel, om en ingenjör önskar ett material med vissa termiska egenskaper, den genomsnittliga fria vägfördelningen skulle kunna fungera som en ritning för att utforma specifika "spridningscentra" inom materialet - platser som föranleder fononkollisioner, i sin tur sprider värmeutbredning, vilket leder till minskad värmebärande förmåga. Även om sådana effekter inte är önskvärda för att hålla ett datorchip kallt, de är lämpliga i termoelektriska enheter, som omvandlar värme till el. För sådana applikationer, material som är elektriskt ledande men värmeisolerande önskas.

"Det viktiga är att vi har ett spektroskopiverktyg för att mäta medelvägsfördelningen, och att distribution är viktig för många tekniska tillämpningar, " säger Zeng.