Les chercheurs appliquent le même "modèle de transport hydrodynamique" utilisé pour étudier l'écoulement dans les fluides pour expliquer le transport de chaleur dans un semi-conducteur solide, avec des implications potentielles pour la conception de transistors et de lasers à grande vitesse.

L'imagerie thermique de minuscules sources de chaleur à semi-conducteurs à l'échelle nanométrique a révélé des détails sur les vortex d'objets porteurs de chaleur appelés phonons.

Les nouvelles découvertes ont des implications potentiellement importantes pour « la diaphonie thermique, " dans lequel plusieurs sources de chaleur côte à côte ont un impact sur la température globale du système, entraver les performances. Les chercheurs ont utilisé une technique appelée imagerie thermique par thermoréflectance plein champ pour visualiser directement les changements de température produits par des sources de chaleur ultra-petites, bandes d'or formées au-dessus de l'arséniure de gallium d'indium semi-conducteur.

La recherche porte sur le rôle crucial des phonons, objets de mécanique quantique, ou "quasparticules, " qui décrivent comment les vibrations traversent la structure cristalline d'un matériau. On dit que les phonons sont des "transporteurs de chaleur" dans les matériaux solides.

"C'est la première fois que de tels effets hydrodynamiques sont indirectement observés pour la propagation de la chaleur dans un solide, " dit Ali Shakouri, Mary Jo et Robert L. Kirk de l'Université Purdue Directeur du Birck Nanotechnology Center et professeur de génie électrique et informatique. « Alors que les structures appelées vortex sont courantes dans les écoulements de fluides tels que l'eau ou l'air, c'est la première fois que nous voyons qu'ils peuvent être présents à l'intérieur des solides pour le flux de phonons dans l'arséniure de gallium et d'indium semi-conducteur typique, qui est utilisé dans les transistors et les lasers à grande vitesse."

Les résultats sont détaillés dans un document de recherche publié le 17 janvier dans Communication Nature .

"La réduction de la diaphonie thermique observée a des implications importantes dans la conception de dispositifs électroniques et optoélectroniques à l'échelle nanométrique, " a déclaré Amirkoushyar Ziabari, associé de recherche postdoctoral de Purdue, l'auteur principal du journal. « Alors que la taille des appareils électroniques et optoélectroniques diminue, il y a de plus en plus d'appareils emballés dans une zone plus petite, la diaphonie thermique entre ces appareils devient donc importante. Connaître le comportement thermique précis dans le voisinage et à quelques microns des sources de chaleur permettrait de concevoir des appareils à la pointe de la technologie en termes de performances, la vitesse, fiabilité thermique, etc."

Les chercheurs ont découvert que la diaphonie thermique réduite est causée par des tourbillons générés près du bord des sources de chaleur.

"C'est similaire aux tourbillons que l'on observe au bord d'un obstacle placé à l'intérieur d'un courant d'air ou d'eau, comme derrière une aile d'avion, " a déclaré Shakouri.

La loi régissant la conduction thermique, connue sous le nom de loi de Fourier ou équation de diffusion de la chaleur, ne prédit pas avec précision le transport thermique pour les dispositifs à l'échelle nanométrique. Parce que l'équation de diffusion de Fourier n'explique pas le transport de chaleur à ces échelles, ce régime de transport est dit non diffusif.

« Alors que la taille des appareils électroniques et optoélectroniques diminue, il est important de considérer ce comportement non diffusif pour la conception et l'optimisation de ces petits appareils, " a déclaré Ziabari. " Ces nouvelles mesures montrent qu'à l'échelle nanométrique, la propagation de la chaleur a un comportement « fluide » intéressant."

Les méthodes conventionnelles ne tiennent pas compte des tourbillons de transport de chaleur trouvés à l'échelle nanométrique.

"Le tourbillon ne devient important que lorsque la dimension caractéristique de la source est comparable à l'échelle de longueur hydrodynamique d'environ 150 nanomètres, " il a dit.

La théorie de Fourier surestime considérablement la température observée expérimentalement à une courte distance des lignes de chauffage.

"L'effet surprenant était que la température décroît beaucoup plus rapidement que ce que la théorie de Fourier avait prédit, " A déclaré Shakouri. "À une distance de 1 ou 2 microns d'une petite source de chaleur - une ligne d'environ 100 nanomètres de large - la température pourrait être d'un tiers à un quart de ce que prédit la théorie de Fourier."

L'approche d'imagerie thermique par thermoréflectance permet aux chercheurs de créer des cartes d'élévation de température à une résolution bien supérieure à ce qui serait autrement possible en utilisant la lumière dans le domaine visible.