A causa dei continui progressi nella miniaturizzazione dei dispositivi microelettronici e fotonici al silicio, il raffreddamento delle strutture dei dispositivi è sempre più impegnativo. Il trasporto di calore convenzionale nei materiali sfusi è dominato da fononi acustici, che sono quasiparticelle che rappresentano le vibrazioni reticolari del materiale, simile al modo in cui i fotoni rappresentano le onde luminose. Sfortunatamente, questo tipo di raffreddamento sta raggiungendo i suoi limiti in queste minuscole strutture.

Però, gli effetti di superficie diventano dominanti man mano che i materiali nei dispositivi nanostrutturati diventano più sottili, il che significa che le onde di superficie possono fornire la soluzione di trasporto termico richiesta. Fonone-polaritoni di superficie (SPhPs) - onde ibride composte da onde elettromagnetiche di superficie e fononi ottici che si propagano lungo le superfici delle membrane dielettriche - hanno mostrato particolari promesse, e un team guidato da ricercatori dell'Istituto di Scienze Industriali, l'Università di Tokyo ha ora dimostrato e verificato i miglioramenti della conduttività termica forniti da queste onde.

"Abbiamo generato SPhP su membrane in nitruro di silicio con vari spessori e misurato le conduttività termiche di queste membrane su ampi intervalli di temperatura, ", afferma l'autore principale dello studio Yunhui Wu. "Questo ci ha permesso di stabilire i contributi specifici degli SPhP alla migliorata conduttività termica osservata nelle membrane più sottili".

Il team ha osservato che la conduttività termica delle membrane con spessori di 50 nm o meno in realtà raddoppiava quando la temperatura aumentava da 300 K a 800 K (da circa 27°C a 527°C). In contrasto, la conduttività di una membrana spessa 200 nm è diminuita nello stesso intervallo di temperatura perché i fononi acustici dominavano ancora a quello spessore.

"Le misurazioni hanno mostrato che la funzione dielettrica del nitruro di silicio non è cambiata molto nell'intervallo di temperatura sperimentale, il che significava che i miglioramenti termici osservati potevano essere attribuiti all'azione degli SPhP, " spiega Masahiro Nomura dell'Istituto di Scienze Industriali, autore senior dello studio. "La lunghezza di propagazione di SPhP lungo l'interfaccia della membrana aumenta quando lo spessore della membrana diminuisce, che consente agli SPhP di condurre molta più energia termica rispetto ai fononi acustici quando si utilizzano queste membrane molto sottili."

Il nuovo canale di raffreddamento fornito dagli SPhP può quindi compensare la ridotta conduttività termica dei fononi che si verifica nei materiali nanostrutturati. Gli SPhP dovrebbero quindi trovare applicazioni nella gestione termica di dispositivi microelettronici e fotonici a base di silicio.