Une percée de la recherche de l'École d'ingénierie de l'Université de Virginie démontre un nouveau mécanisme pour contrôler la température et prolonger la durée de vie des dispositifs électroniques et photoniques tels que les capteurs, téléphones intelligents et transistors.

La découverte, des expériences et simulations de l'UVA dans le groupe de recherche en génie thermique, remet en cause une hypothèse fondamentale sur le transfert de chaleur dans la conception des semi-conducteurs. Dans les appareils, des contacts électriques se forment à la jonction d'un métal et d'un matériau semi-conducteur. Traditionnellement, les ingénieurs des matériaux et des appareils ont supposé que l'énergie des électrons se déplace à travers cette jonction via un processus appelé injection de charge, a déclaré le chef de groupe Patrick Hopkins, professeur de génie mécanique et aérospatial avec rendez-vous de courtoisie en science et génie des matériaux et en physique.

L'injection de charge pose qu'avec le flux de la charge électrique, les électrons sautent physiquement du métal dans le semi-conducteur, emportant avec eux leur excès de chaleur. Cela modifie la composition électrique et les propriétés des matériaux isolants ou semi-conducteurs. Le refroidissement qui va de pair avec l'injection de charge peut dégrader considérablement l'efficacité et les performances de l'appareil.

Le groupe de Hopkins a découvert un nouveau chemin de transfert de chaleur qui englobe les avantages du refroidissement associé à l'injection de charge sans aucun des inconvénients des électrons se déplaçant physiquement dans le dispositif semi-conducteur. Ils appellent ce mécanisme l'injection thermique balistique.

Comme décrit par le conseiller de Hopkins, John Tomko, un doctorat étudiant en science et ingénierie des matériaux :« L'électron fait le pont entre son métal et le semi-conducteur, voit un autre électron à travers le pont et interagit avec lui, transférant sa chaleur mais restant de son côté du pont. Le matériau semi-conducteur absorbe beaucoup de chaleur, mais le nombre d'électrons reste constant."

"La capacité de refroidir les contacts électriques en maintenant des densités de charge constantes offre une nouvelle direction dans le refroidissement électronique sans impacter les performances électriques et optiques de l'appareil, " a déclaré Hopkins. " La capacité d'optimiser indépendamment l'optique, le comportement électrique et thermique des matériaux et des appareils améliore les performances et la longévité des appareils.

L'expertise de Tomko en métrologie laser - la mesure du transfert d'énergie à l'échelle nanométrique - a révélé l'injection thermique balistique comme une nouvelle voie pour l'auto-refroidissement des appareils. La technique de mesure de Tomko, plus précisément la spectroscopie laser optique, est une toute nouvelle façon de mesurer le transfert de chaleur à travers l'interface métal-semi-conducteur.

"Les méthodes de mesure et d'observation précédentes ne pouvaient pas décomposer le mécanisme de transfert de chaleur séparément de l'injection de charge, " dit Tomko.

Pour leurs expériences, L'équipe de recherche de Hopkins a sélectionné l'oxyde de cadmium, un oxyde transparent conducteur d'électricité qui ressemble à du verre. L'oxyde de cadmium était un choix pragmatique car ses propriétés optiques uniques sont bien adaptées à la méthode de mesure par spectroscopie laser de Tomko.

L'oxyde de cadmium absorbe parfaitement les photons infrarouges moyens sous forme de plasmons, des quasiparticules composées d'électrons synchronisés qui sont un moyen incroyablement efficace de coupler la lumière dans un matériau. Tomko a utilisé l'injection thermique balistique pour déplacer la longueur d'onde de la lumière à laquelle l'absorption parfaite se produit, régler essentiellement les propriétés optiques de l'oxyde de cadmium grâce à la chaleur injectée.

"Nos observations d'accord nous permettent de dire avec certitude que le transfert de chaleur se produit sans échange d'électrons, " dit Tomko.

Tomko a sondé les plasmons pour extraire des informations sur le nombre d'électrons libres de chaque côté du pont entre le métal et le semi-conducteur. De cette façon, Tomko a capturé la mesure du placement des électrons avant et après que le métal ait été chauffé et refroidi.

La découverte de l'équipe est également prometteuse pour les technologies de détection infrarouge. Les observations de Tomko révèlent que l'accord optique dure tant que l'oxyde de cadmium reste chaud, en gardant à l'esprit que le temps est relatif - un trillionième plutôt qu'un quadrillionième de seconde.

L'injection thermique balistique permet de contrôler l'absorption des plasmons et donc la réponse optique des matériaux non métalliques. Un tel contrôle permet une absorption des plasmons très efficace à la longueur de l'infrarouge moyen. One benefit of this development is that night vision devices can be made more responsive to a sudden, 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, " a déclaré Hopkins.

Tomko first-authored a paper documenting these findings. Nature Nanotechnologie 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. Les Nature Nanotechnologie 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 Nature Nanotechnologie 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.