热运输的新基本理解

新工具测量声子碰撞

的工程师麻省理工学院已经开发出一种测量位于碰撞之间的距离的新设备,在微电子中提供更细微的热量差异。

今天的计算机芯片将数十亿个微小的晶体管封装在一块只有指甲那么宽的硅片上。每个晶体管只有几十纳米宽,就像一个开关,与其他晶体管协同工作,完成计算机的计算。当密林般的晶体管来回发出信号时,它们会散发热量——如果芯片太热,就会把电子器件烧焦。

制造商通常应用经典的扩散理论,以衡量晶体管在计算机芯片中的温度升高。但现在麻省理工学院工程师的实验表明,这种普通理论并不在极小的长度尺度上保持。本集团的结果表明,扩散理论低估了纳米级热源的温度升高,例如计算机芯片晶体管。这种误法可能会影响芯片和其他微电子器件的可靠性和性能。

“我们验证了,当热源非常小的时候,你不能用扩散理论来计算设备的温升。温度升高比扩散预测的要高,而在微电子学领域,这是不可能发生的,”麻省理工学院机械工程系主任陈刚教授说。“因此,这可能会改变人们对如何在微电子学中建模热问题的看法。”

本集团,包括凌平曾和研究所的研究生曾经教授MIT,加州大学洛杉矶的永杰胡湖,以及卡特克奥斯汀·明尼奇本周在杂志纳米技术期间发布了结果

声子平均自由程分布

在设计实验后,陈和他的同事得出了他们的结论来测量材料中的热载体的“卑鄙的自由路径”分布。在半导体和电介质中,热量通常以声子的形式流动 - 波状颗粒,其通过材料承载热量并在其传播期间经历各种散射。声子的平均自由路径是声子在与另一个颗粒碰撞之前可以携带热量的距离;声子的平均自由路径越长,能够携带或进行热量越好。

由于平均自由路径可以在给定材料中从声子到声子 - 从几纳米到微米 - 材料表现出平均自由路径分布或范围。Chen, the Carl Richard Soderberg Professor in Power Engineering at MIT, reasoned that measuring this distribution would provide a more detailed picture of a material’s heat-carrying capability, enabling researchers to engineer materials, for example, using nanostructures to limit the distance that phonons travel.

该小组设法建立一个框架和工具,以测量若干技术上感兴趣的材料的平均自由程分布。有两种热输运模式:扩散模式和准弹道模式。前者返回整体导热系数,掩盖了重要的平均自由程分布。为了研究声子的平均自由路径,研究人员意识到他们需要一个相对于声子平均自由路径较小的热源来达到准脉冲状态,因为较大的热源基本上会掩盖单个声子的效应。

创造纳米尺度的热源是一个重大的挑战:激光只能聚焦在光的波长大小的点上,大约一微米——是一些声子平均自由路径长度的10倍以上。为了将激光的能量集中到更细的区域,该团队在硅锗表面绘制了不同尺寸的铝点图案,从几十微米到30纳米不等合金,砷化镓,氮化镓和蓝宝石。每个点吸收并集中激光的热量,然后将其作为声子流过下面的材料流过。

在他们的实验中,Chen和他的同事们使用了微细加工来改变铝点的大小,并测量了脉冲激光从材料反射的衰变——一种间接测量材料中热传播的方法。他们发现,随着热源的尺寸变小,温度的上升偏离了扩散理论。

他们解释说,当金属点(即热源)变得更小时,声子离开这些点就会变成“弹道”,穿过底层物质而不散射。在这些情况下,这些声子对材料的导热性没有多大贡献。但对于作用在同一物质上的更大的热源,声子往往会与其他声子发生碰撞,并更频繁地散射。在这些情况下,目前使用的扩散理论就变得有效。

详细运输图

对于每一种材料,研究人员绘制了平均自由路径的分布,重构了由加热器尺寸决定的材料热导率。总的来说,他们观察到了预期的热传导新图景:虽然常见的经典扩散理论适用于大型热源,但不适用于小型热源。通过改变热源的大小,Chen和他的同事们可以绘制出声子在碰撞之间传播的距离,以及它们对热传导的贡献。

曾说,该集团的实验设置可用于更好地理解,并且可能曲调材料的导热率。例如,如果工程师希望具有某些热性质的材料,则平均自由路径分布可以用作在提示声子碰撞的材料位置内设计特定的“散射中心”的蓝图,又散射热传播,导致减少热携带能力。尽管在保持计算机芯片冷却时,这种效果是不希望的,但它们适用于热电装置,其将热量转换为电力。对于这种应用,需要导电但是热绝缘的材料。

“重要的是,我们有一种测量平均自由程分布的光谱工具,这种分布对许多技术应用都很重要,”曾晶说。

这项研究部分是由麻省理工学院的固态太阳能热能转换中心资助的,该中心是由美国能源部资助的。

出版物:永杰胡等,“通过纳米球传输的热导率的光谱映射”,自然纳米技术(2015);DOI:10.1038 / nnano.2015.109

图片:麻省理工学院;Istock.

是第一个评论论“热输运的新基本认识”

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