Ett forskningsgenombrott från University of Virginia School of Engineering visar en ny mekanism för att kontrollera temperaturen och förlänga livslängden för elektroniska och fotoniska enheter som sensorer, smarta telefoner och transistorer.

Upptäckten, från UVA:s experiment och simuleringar i termoteknisk forskningsgrupp, utmanar ett grundläggande antagande om värmeöverföring i halvledardesign. I enheter, elektriska kontakter bildas vid föreningspunkten mellan en metall och ett halvledande material. Traditionellt, material- och enhetsingenjörer har antagit att elektronenergi rör sig över denna korsning genom en process som kallas laddningsinjektion, sa gruppledaren Patrick Hopkins, professor i maskin- och rymdteknik med artighetsutnämningar inom materialvetenskap och teknik och fysik.

Laddningsinjektion antyder att med flödet av den elektriska laddningen, elektroner fysiskt hoppar från metallen in i halvledaren, tar med sig överskottsvärmen. Detta förändrar den elektriska sammansättningen och egenskaperna hos de isolerande eller halvledande materialen. Kylningen som går hand i hand med laddningsinjektion kan avsevärt försämra enhetens effektivitet och prestanda.

Hopkins grupp upptäckte en ny värmeöverföringsväg som omfattar fördelarna med kylning i samband med laddningsinjektion utan någon av nackdelarna med att elektronerna fysiskt flyttar in i halvledarenheten. De kallar denna mekanism för ballistisk termisk injektion.

Som beskrivs av Hopkins rådgivare John Tomko, en Ph.D. student i materialvetenskap och teknik:"Elektronen kommer till bron mellan sin metall och halvledaren, ser en annan elektron över bron och interagerar med den, överför sin värme men stannar på sin egen sida av bron. Det halvledande materialet absorberar mycket värme, men antalet elektroner förblir konstant."

"Förmågan att kyla elektriska kontakter genom att hålla laddningstätheterna konstanta erbjuder en ny riktning inom elektronisk kylning utan att påverka enhetens elektriska och optiska prestanda, " Hopkins sa. "Förmågan att självständigt optimera optiska, elektriskt och termiskt beteende hos material och enheter förbättrar enhetens prestanda och livslängd."

Tomkos expertis inom lasermetrologi – mätning av energiöverföring i nanoskala – avslöjade ballistisk termisk injektion som en ny väg för självkylning av enheter. Tomkos mätteknik, mer specifikt optisk laserspektroskopi, är ett helt nytt sätt att mäta värmeöverföring över metall-halvledargränssnittet.

"Tidigare metoder för mätning och observation kunde inte bryta ner värmeöverföringsmekanismen separat från laddningsinjektion, sa Tomko.

För sina experiment, Hopkins forskargrupp valde ut kadmiumoxid, en transparent elektricitetsledande oxid som ser ut som glas. Kadmiumoxid var ett pragmatiskt val eftersom dess unika optiska egenskaper är väl lämpade för Tomkos laserspektroskopi-mätmetod.

Kadmiumoxid absorberar perfekt mellaninfraröda fotoner i form av plasmoner, kvasipartiklar som består av synkroniserade elektroner som är ett otroligt effektivt sätt att koppla ljus till ett material. Tomko använde ballistisk termisk injektion för att flytta ljusvåglängden vid vilken perfekt absorption inträffar, i huvudsak tuna de optiska egenskaperna hos kadmiumoxid genom injicerad värme.

"Våra observationer av inställning gör det möjligt för oss att definitivt säga att värmeöverföring sker utan att byta elektroner, sa Tomko.

Tomko sonderade plasmonerna för att extrahera information om antalet fria elektroner på varje sida av bron mellan metallen och halvledaren. På det här sättet, Tomko fångade mätningen av elektronernas placering före och efter att metallen värmdes upp och kyldes.

Teamets upptäckt lovar också för infraröd avkänningsteknik. Tomkos observationer avslöjar att den optiska inställningen varar så länge som kadmiumoxiden förblir varm, med tanke på att tiden är relativ – en biljondels snarare än en kvadrilliondels sekund.

Ballistisk termisk injektion kan kontrollera plasmonabsorptionen och därför den optiska responsen hos icke-metalliska material. Sådan kontroll möjliggör högeffektiv plasmonabsorption vid medelinfraröd längd. En fördel med denna utveckling är att mörkerseendeapparater kan göras mer känsliga för plötsliga, intense change in heat that would otherwise leave the device temporarily blind.

"The realization of this ballistic thermal injection process across metal/cadmium oxide interfaces for ultrafast plasmonic applications opens the door for us to use this process for efficient cooling of other device-relevant material interfaces, sa Hopkins.

Tomko first-authored a paper documenting these findings. Naturens nanoteknik published the team's paper, Long-lived Modulation of Plasmonic Absorption by Ballistic Thermal Injection, on November 9; the paper was also promoted in the journal editors' News and Views. De Naturens nanoteknik paper adds to a long list of publications for Tomko, who has co-authored more than 30 papers and can now claim first-authorship of two Naturens nanoteknik papers as a graduate student.

The research paper culminates a two-year, collaborative effort funded by a U.S. Army Research Office Multi-University Research Initiative. Jon-Paul Maria, professor of materials science and engineering at Penn State University, is the principal investigator for the MURI grant, which includes the University of Southern California as well as UVA. This MURI team also collaborated with Josh Caldwell, associate professor of mechanical engineering and electrical engineering at Vanderbilt University.

The team's breakthrough relied on Penn State's expertise in making the cadmium oxide samples, Vanderbilt's expertise in optical modeling, the University of Southern California's computational modeling, and UVA's expertise in energy transport, charge flow, and photonic interactions with plasmons at heterogeneous interfaces, including the development of a novel ultrafast-pump-probe laser experiment to monitor this novel ballistic thermal injection process.