Forskare tillämpar samma "hydrodynamiska transportmodell" som används för att studera flöde i vätskor för att förklara värmetransport i en fast halvledare, med potentiella konsekvenser för designen av höghastighetstransistorer och lasrar.

Termisk avbildning av små nanoskala halvledarvärmekällor avslöjade detaljer om virvlar av värmebärande föremål som kallas fononer.

De nya fynden har potentiellt viktiga konsekvenser för "termisk överhörning, "där flera värmekällor bredvid varandra påverkar systemets totala temperatur, hindrar prestanda. Forskarna använde en teknik som kallas fullfält termoreflektans termisk avbildning för att direkt visualisera temperaturförändringar som produceras av extremt små värmekällor, guldband bildade ovanpå halvledaren indium gallium arsenid.

Forskningen berör fonons avgörande roll, kvantmekaniska objekt, eller "kvasipartiklar, "som beskriver hur vibrationer rör sig genom ett materials kristallstruktur. Fononerna sägs vara" värmebärare "i fasta material.

"Detta är första gången sådana hydrodynamiska effekter observeras indirekt för värmeutbredning i ett fast ämne, "sade Ali Shakouri, Purdue University Mary Jo och Robert L. Kirk Direktör för Birck Nanotechnology Center och professor i el- och datateknik. "Även om strukturer som kallas virvlar är vanliga i vätskeflöden som vatten eller luft, detta är första gången vi har sett att de kan vara närvarande inuti fasta ämnen för fononflöde i den typiska halvledaren indium gallium arsenid, som används i höghastighetstransistorer och lasrar. "

Resultaten är detaljerade i ett forskningsarbete som publicerades den 17 januari Naturkommunikation .

"Den observerade termiska överhörningsminskningen har viktiga konsekvenser i utformningen av elektroniska och optoelektroniska enheter i nanoskala, "säger Purdue postdoktoral forskningsassistent Amirkoushyar Ziabari, tidningens huvudförfattare. "Eftersom storleken på elektroniska och optoelektroniska enheter blir mindre, det finns fler och fler enheter som packas in i ett mindre område, så den termiska överhörningen mellan dessa enheter blir viktig. Att veta det exakta termiska beteendet i grannskapet och några mikron från värmekällor skulle hjälpa till att designa bättre toppmoderna enheter när det gäller prestanda, fart, termisk tillförlitlighet, och så vidare."

Forskarna fann att den minskade termiska överhörningen orsakas av virvlar som genereras nära kanten av värmekällorna.

"Detta liknar virvlar som observeras vid kanten av ett hinder placerat inuti en ström av luft eller vatten, som bakom en flygplansvinge, "Sa Shakouri.

Den styrande lagen för värmeledning, känd som Fourier-lagen eller värmediffusionsekvationen, förutser inte exakt termisk transport för enheter på nanoskala. Eftersom Fourier -diffusionsekvationen inte förklarar värmetransporten vid dessa skalor, denna transportordning kallas icke-diffusiv.

"Eftersom storleken på elektroniska och optoelektroniska enheter blir mindre, det är viktigt att överväga detta icke-diffusiva beteende för design och optimering av sådana små enheter, "Ziabari sa." Dessa nya mätningar visar att vid nanoskala, värmeutbredning har intressant "vätskeliknande" beteende. "

Konventionella metoder tar inte hänsyn till virvlar av värmetransport som finns på nanoskala.

"Vorticitet blir bara viktig när den karakteristiska källdimensionen är jämförbar med den hydrodynamiska längdskalan på cirka 150 nanometer, " han sa.

Fourier -teorin överskattar väsentligt den experimentellt observerade temperaturen ett kort avstånd från värmeledningarna.

"Den överraskande effekten var att temperaturen sjunker mycket snabbare än vad Fourier -teorin förutspådde, "Sa Shakouri." Inom ett avstånd av 1 eller 2 mikron från en liten värmekälla-en linje cirka 100 nanometer bred-kan temperaturen vara en tredjedel till en fjärdedel vad Fourier-teorin förutsäger. "

Termoreflektans termisk avbildning gör det möjligt för forskare att skapa kartor över temperaturhöjningar vid mycket högre upplösning än annars möjligt med hjälp av ljus i det synliga området.