Forskare från Japan har arbetat hårt för att hålla sig kall - eller åtminstone - hålla sina nanoenheter från överhettning. Genom att lägga till en liten beläggning av kiseldioxid till kiselstrukturer i mikrostorlek kunde de visa en signifikant ökning av hastigheten för värmeavledning. Detta arbete kan leda till mindre och billigare elektroniska enheter som kan packas i fler mikrokretsar.
I takt med att konsumentelektroniken blir allt mer kompakt, samtidigt som den fortfarande har ökad processorkraft, har behovet av att hantera spillvärme från mikrokretsar vuxit till att bli ett stort problem.
Vissa vetenskapliga instrument och maskiner i nanoskala kräver noggrann övervägande av hur lokal värme kommer att shuntas ut från enheten för att förhindra skador.
Viss avkylning sker när värme strålar bort som elektromagnetiska vågor - liknande hur solens kraft når jorden genom rymdens vakuum. Energiöverföringshastigheten kan dock vara för långsam för att skydda prestandan hos känsliga och tätt packade integrerade elektroniska kretsar.
För att nästa generation av enheter ska kunna utvecklas kan nya metoder behöva etableras för att ta itu med denna fråga om värmeöverföring.
I en studie som nyligen publicerades i tidskriften Physical Review Letters , forskare från Institute of Industrial Science, University of Tokyo, visade hur hastigheten för strålningsvärmeöverföring kan fördubblas mellan två mikroskaliga kiselplattor åtskilda av ett litet gap.
Nyckeln var att använda en beläggning av kiseldioxid som skapade en koppling mellan plattans termiska vibrationer vid ytan (kallade fononer) och fotonerna (som utgör strålningen).
"Vi kunde visa både teoretiskt och experimentellt hur elektromagnetiska vågor exciterades vid gränsytan av oxidskiktet som ökade hastigheten för värmeöverföring", säger huvudförfattaren till studien, Saeko Tachikawa.
Den lilla storleken på skikten jämfört med våglängderna för den elektromagnetiska energin och dess fäste vid kiselplattan, som bär energin utan förlust, gjorde att enheten kunde överträffa de normala gränserna för värmeöverföring och därmed svalna snabbare.
Eftersom nuvarande mikroelektronik redan är baserad på kisel, kan resultaten av denna forskning lätt integreras i framtida generationer av halvledarenheter.
"Vårt arbete ger insikt i möjliga strategier för hantering av värmeavledning inom halvledarindustrin, tillsammans med olika andra relaterade områden såsom nanotekniktillverkning", säger senior författare, Masahiro Nomura.
Forskningen bidrar också till att etablera en bättre grundläggande förståelse för hur värmeöverföring fungerar på nanoskala, eftersom detta fortfarande är ett område för aktiv forskning.
Mer information: Saeko Tachikawa et al, Enhanced Far-Field Thermal Radiation through a Polaritonic Waveguide, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.186904
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev
Tillhandahålls av University of Tokyo
