En raison des progrès continus de la miniaturisation des dispositifs microélectroniques et photoniques au silicium, le refroidissement des structures d'appareils est de plus en plus difficile. Le transport de chaleur conventionnel dans les matériaux en vrac est dominé par les phonons acoustiques, qui sont des quasiparticules qui représentent les vibrations du réseau du matériau, similaire à la façon dont les photons représentent les ondes lumineuses. Malheureusement, ce type de refroidissement atteint ses limites dans ces minuscules structures.

Cependant, les effets de surface deviennent dominants à mesure que les matériaux des dispositifs nanostructurés deviennent plus minces, ce qui signifie que les ondes de surface peuvent fournir la solution de transport thermique requise. Les phonons-polaritons de surface (SPhP) - ondes hybrides composées d'ondes électromagnétiques de surface et de phonons optiques qui se propagent le long des surfaces des membranes diélectriques - se sont révélées particulièrement prometteuses, et une équipe dirigée par des chercheurs de l'Institut des sciences industrielles, l'Université de Tokyo a maintenant démontré et vérifié les améliorations de la conductivité thermique fournies par ces ondes.

"Nous avons généré des SPhP sur des membranes en nitrure de silicium de différentes épaisseurs et mesuré les conductivités thermiques de ces membranes sur de larges plages de températures, " explique l'auteur principal de l'étude Yunhui Wu. " Cela nous a permis d'établir les contributions spécifiques des SPhP à l'amélioration de la conductivité thermique observée dans les membranes plus minces. "

L'équipe a observé que la conductivité thermique des membranes d'une épaisseur de 50 nm ou moins doublait en fait lorsque la température passait de 300 K à 800 K (environ 27°C à 527°C). En revanche, la conductivité d'une membrane de 200 nm d'épaisseur a diminué sur la même plage de températures car les phonons acoustiques dominaient toujours à cette épaisseur.

"Les mesures ont montré que la fonction diélectrique du nitrure de silicium n'a pas beaucoup changé sur la plage de température expérimentale, ce qui signifiait que les rehaussements thermiques observés pouvaient être attribués à l'action des SPhP, " explique Masahiro Nomura de l'Institut des sciences industrielles, auteur principal de l'étude. « La longueur de propagation du SPhP le long de l'interface membranaire augmente lorsque l'épaisseur de la membrane diminue, ce qui permet aux SPhP de conduire beaucoup plus d'énergie thermique que les phonons acoustiques lors de l'utilisation de ces membranes très minces."

Le nouveau canal de refroidissement fourni par les SPhP peut ainsi compenser la conductivité thermique réduite des phonons qui se produit dans les matériaux nanostructurés. Les SPhP devraient ainsi trouver des applications dans la gestion thermique des dispositifs microélectroniques et photoniques à base de silicium.