På grund av de fortsatta framstegen inom miniatyrisering av mikroelektroniska och fotoniska enheter av kisel, kylningen av enhetsstrukturer blir alltmer utmanande. Konventionell värmetransport i bulkmaterial domineras av akustiska fononer, som är kvasipartiklar som representerar materialets gittervibrationer, liknande det sätt som fotoner representerar ljusvågor. Tyvärr, denna typ av kylning når sina gränser i dessa små strukturer.

Dock, yteffekter blir dominerande när materialen i nanostrukturerade enheter blir tunnare, vilket innebär att ytvågor kan ge den termiska transportlösning som krävs. Ytfononpolaritoner (SPhPs) - hybridvågor som består av elektromagnetiska ytvågor och optiska fononer som utbreder sig längs ytorna på dielektriska membran - har visat sig vara särskilt lovande, och ett team ledd av forskare från Institute of Industrial Science, University of Tokyo har nu visat och verifierat de värmeledningsförstärkningar som dessa vågor ger.

"Vi genererade SPhPs på kiselnitridmembran med olika tjocklekar och mätte värmeledningsförmågan hos dessa membran över breda temperaturområden, ", säger huvudförfattaren till studien Yunhui Wu. "Detta gjorde det möjligt för oss att fastställa SPhPs specifika bidrag till den förbättrade värmeledningsförmågan som observeras i de tunnare membranen."

Teamet observerade att den termiska konduktiviteten hos membran med tjocklekar på 50 nm eller mindre faktiskt fördubblades när temperaturen ökade från 300 K till 800 K (ungefär 27 ° C till 527 ° C). I kontrast, konduktiviteten hos ett 200 nm tjockt membran minskade över samma temperaturområde eftersom de akustiska fononerna fortfarande dominerade vid den tjockleken.

"Mätningar visade att den dielektriska funktionen hos kiselnitrid inte förändrades särskilt mycket över det experimentella temperaturområdet, vilket innebar att de observerade termiska förbättringarna kunde tillskrivas SPhPs verkan, " förklarar Institute of Industrial Sciences Masahiro Nomura, senior författare till studien. "SPhP-utbredningslängden längs membrangränsytan ökar när membrantjockleken minskar, vilket gör att SPhPs kan leda mycket mer termisk energi än akustiska fononer när man använder dessa mycket tunna membran."

Den nya kylkanalen som tillhandahålls av SPhPs kan därmed kompensera för den minskade fononvärmeledningsförmågan som uppstår i nanostrukturerade material. SPhPs förväntas därför hitta tillämpningar inom termisk hantering av kiselbaserade mikroelektroniska och fotoniska enheter.