一种新工具可以测量声子碰撞之间的距

作者:化学

  今天的计算机芯片将数十亿个微小的晶体管装在指甲宽度范围内的硅板上。每个仅几十纳米宽的晶体管充当开关,与其他晶体管一起执行计算机的计算。由于密集的晶体管来回传递信号,它们会散发热量 - 如果芯片变得过热,它会炸掉电子设备。

  制造商通常应用经典扩散理论来测量晶体管在计算机芯片中的温升。但麻省理工学院的工程师现在进行的一项实验表明,这种普遍的理论并不能用于极小的长度尺度。该小组的结果表明,扩散理论低估了纳米级热源的温升,例如计算机芯片的晶体管。这种误算可能会影响芯片和其他微电子器件的可靠性和性能。

  “我们证实,当热源非常小时,你不能用扩散理论来计算器件的温升。温度升高高于扩散预测,在微电子学中,你不希望这种情况发生,“麻省理工学院机械工程系主任陈刚教授说。“因此,这可能会改变人们思考如何模拟微电子热问题的方式。”

  Chen和他的同事在设计了一个测量热载体在材料中的“平均自由路径”分布的实验后得出了他们的结论。在半导体和电介质中,热量通常以声子的形式流动 - 波状微粒通过材料传递热量并在传播过程中经历各种散射。声子的平均自由路径是声子在与另一个粒子碰撞之前可以携带热量的距离; 声子的平均自由路径越长,它能够携带或传导热量越好。

  由于在给定材料中平均自由程可以从声子到声子变化 - 从几纳米到微米 - 材料表现出平均自由程分布或范围。麻省理工学院动力工程学院的Carl Richard Soderberg教授认为,测量这种分布可以更准确地描述材料的载热能力,使研究人员能够设计材料,例如,使用纳米结构来限制声子的行进距离。

  该小组试图建立一个框架和工具,以测量许多技术上有趣的材料的平均自由路径分布。有两种热传输方式:扩散方式和准方式方案。前者返回体积导热系数,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,与声子平均自由路径相比,他们需要一个小的热源才能进入准协理状态,因为较大的热源基本上会掩盖个别声子的影响。

  创建纳米级热源是一项重大挑战:激光只能聚焦到光波长大小的点,大约一微米 - 超过某些声子平均自由程长度的10倍。为了将激光能量集中到更精细的区域,该团队在硅,硅锗合金,砷化镓,氮化镓和蓝宝石表面形成了从几十微米到30纳米不等尺寸的铝点。每个点吸收并集中激光的热量,然后作为声子流过下面的材料。

  在他们的实验中,Chen和他的同事使用微细加工来改变铝点的尺寸,并测量从材料反射的脉冲激光的衰减 - 间接测量材料中的热传播。他们发现,随着热源的尺寸变小,温度上升偏离了扩散理论。

  他们认为,随着作为热源的金属点变小,离开点的声子往往变成“弹道”,射穿下面的材料而不会散射。在这些情况下,这种声子对材料的导热性没有太大贡献。但是对于作用在相同材料上的更大的热源,声子往往会与其他声子碰撞并更频繁地散射。在这些情况下,当前使用的扩散理论变得有效。

  对于每种材料,研究人员绘制了平均自由路径的分布,根据材料的取决于加热器尺寸的热导率重建。总体而言,他们观察到了预期的热传导新图:虽然常见的经典扩散理论适用于大型热源,但它不适用于小型热源。通过改变热源的大小,陈和他的同事们可以确定声子在碰撞之间传播的距离,以及它们对热传导的贡献程度。

  Zeng说,该小组的实验装置可用于更好地理解和调整材料的导热系数。例如,如果工程师需要具有一定热特性的材料,则平均自由路径分布可以作为设计材料内特定“散射中心”的蓝图 - 提示声子碰撞的位置,反过来散射热传播,导致减少携带能力。虽然这种效果在保持计算机芯片冷却方面是不可取的,但它们适用于将热量转换为电能的热电装置。对于这种应用,需要导电但绝热的材料。

  “重要的是,我们有一个光谱工具来测量平均自由路径分布,这种分布对许多技术应用都很重要,”Zeng说。

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