Rappresentazione schematica del trasporto termico per riscaldatori di piccole dimensioni. onde vibrazionali, o fononi, che viaggiano paralleli alla superficie non aiutano a raffreddare la regione calda quando le sue dimensioni sono piccole perché possono attraversare il suo piccolo diametro senza interagire con essa. La superficie rivestita di metallo impedisce ai fononi che viaggiano perpendicolarmente alla superficie di attraversare la regione riscaldata senza interazione. Credito:Richard Wilson, Università dell'Illinois
Le considerazioni termiche stanno rapidamente diventando uno dei più seri vincoli di progettazione nella microelettronica, specialmente su lunghezze su scala submicronica. Uno studio condotto da ricercatori dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign ha dimostrato che i modelli termici standard porteranno alla risposta sbagliata in un problema di trasferimento di calore tridimensionale se le dimensioni dell'elemento riscaldante sono dell'ordine di un micron o inferiori .
"Mentre i materiali si restringono, cambiano anche le norme che regolano lo scambio termico, " ha spiegato David Cahill, un professore di scienza e ingegneria dei materiali all'Illinois. "La nostra attuale comprensione del trasporto termico su nanoscala non è abbastanza sfumata per prevedere quantitativamente quando la teoria standard non funzionerà. Ciò può influire sulla progettazione di dispositivi RF ad alta potenza ampiamente utilizzati nel settore delle telecomunicazioni, ad esempio Infrastruttura wireless 4G. La spaziatura dei transistor nei dispositivi RF si sta rapidamente avvicinando a scale di lunghezza in cui la teoria basata sulla diffusione del calore non sarà valida, e i modelli ingegneristici attualmente utilizzati non prevedono con precisione la temperatura operativa del dispositivo. La temperatura è un fattore chiave per prevedere il tempo medio di guasto".
"La nostra ricerca si concentra sulla comprensione della fisica del trasporto termico su scale di lunghezza submicroniche in presenza di un'interfaccia, " ha spiegato Richard Wilson, autore principale dello studio pubblicato su Comunicazioni sulla natura . "Il nostro studio si è concentrato su una varietà di cristalli che hanno differenze controllate nelle proprietà di trasporto termico, come Si, Si drogato, e leghe SiGe, " ha detto Wilson. "Abbiamo rivestito questi cristalli con una sottile pellicola di metallo, riscaldato la superficie con un raggio laser, e quindi registrato l'evoluzione della temperatura del campione.
"Su scale di lunghezza più corte dei cammini liberi medi dei fononi del cristallo, il calore viene trasportato balisticamente, non diffusivamente. Le interfacce tra i materiali complicano ulteriormente il problema del trasferimento di calore aggiungendo ulteriore resistenza termica".
I ricercatori hanno scoperto che quando il raggio del raggio laser utilizzato per riscaldare i cristalli rivestiti di metallo era superiore a dieci micron, le previsioni fatte assumendo che il calore sia trasportato corrispondevano diffusivamente alle osservazioni sperimentali. Però, quando il raggio si avvicina a un micron, la teoria diffusiva ha predetto in modo eccessivo la quantità di energia portata via dalla superficie riscaldata.
"Abbiamo scoperto differenze fondamentali nel modo in cui il calore viene trasportato su distanze brevi rispetto a lunghe distanze. Teoria di Fourier, che presuppone che il calore sia trasportato per diffusione, predice che un cristallo cubico come il silicio trasporterà il calore ugualmente bene in tutte le direzioni. Abbiamo dimostrato che su scale di lunghezza ridotta il calore non è trasportato ugualmente bene in tutte le direzioni. Misurando la temperatura della superficie del campione in funzione della distanza dal centro della regione riscaldata, siamo stati in grado di determinare fino a che punto il calore viaggiava parallelamente alla superficie, e dedurre che, quando le dimensioni del riscaldatore sono piccole, parallelamente alla superficie viene trasportato molto meno calore di quanto predetto dalla teoria di Fourier, "Ha dichiarato Wilson.
Wilson e Cahill hanno anche studiato l'effetto delle interfacce sul trasporto termico su nanoscala.
"È noto da 75 anni che la presenza di un confine aggiunge una resistenza termica del confine al problema del trasferimento di calore, ma si è sempre ipotizzato che questa resistenza al contorno fosse localizzata all'interfaccia e indipendente dalle proprietà di trasporto termico del materiale sottostante, " Cahill ha aggiunto. "I nostri esperimenti mostrano che queste ipotesi non sono generalmente valide. In particolare per i cristalli con difetti, la resistenza al contorno è distribuita e fortemente dipendente dalla concentrazione del difetto. "
Wilson e Cahill hanno anche fornito una descrizione teorica dei loro risultati che può essere utilizzata dagli ingegneri dei dispositivi per gestire meglio il calore e la temperatura nei dispositivi su scala nanometrica.
