Una svolta nella ricerca della School of Engineering dell'Università della Virginia dimostra un nuovo meccanismo per controllare la temperatura e prolungare la durata di dispositivi elettronici e fotonici come sensori, smartphone e transistor.

La scoperta, dagli esperimenti e simulazioni di UVA nel gruppo di ricerca di ingegneria termica, mette in discussione un presupposto fondamentale sul trasferimento di calore nella progettazione dei semiconduttori. Nei dispositivi, i contatti elettrici si formano alla giunzione di un metallo e un materiale semiconduttore. Tradizionalmente, gli ingegneri dei materiali e dei dispositivi hanno ipotizzato che l'energia degli elettroni si muova attraverso questa giunzione attraverso un processo chiamato iniezione di carica, ha affermato il leader del gruppo Patrick Hopkins, professore di ingegneria meccanica e aerospaziale con incarichi di cortesia in scienza e ingegneria dei materiali e fisica.

L'iniezione di carica presuppone che con il flusso della carica elettrica, gli elettroni saltano fisicamente dal metallo al semiconduttore, portando con sé il calore in eccesso. Ciò modifica la composizione elettrica e le proprietà dei materiali isolanti o semiconduttori. Il raffreddamento che va di pari passo con l'iniezione di carica può ridurre significativamente l'efficienza e le prestazioni del dispositivo.

Il gruppo di Hopkins ha scoperto un nuovo percorso di trasferimento del calore che abbraccia i vantaggi del raffreddamento associato all'iniezione di carica senza nessuno degli svantaggi degli elettroni che si muovono fisicamente nel dispositivo a semiconduttore. Chiamano questo meccanismo iniezione termica balistica.

Come descritto dal consigliere di Hopkins John Tomko, un dottorato di ricerca studente di scienza e ingegneria dei materiali:"L'elettrone arriva al ponte tra il suo metallo e il semiconduttore, vede un altro elettrone attraverso il ponte e interagisce con esso, trasferendo il suo calore ma rimanendo dalla sua parte del ponte. Il materiale semiconduttore assorbe molto calore, ma il numero di elettroni rimane costante."

"La capacità di raffreddare i contatti elettrici mantenendo costanti le densità di carica offre una nuova direzione nel raffreddamento elettronico senza influire sulle prestazioni elettriche e ottiche del dispositivo, " Hopkins ha detto. "La capacità di ottimizzare indipendentemente ottica, il comportamento elettrico e termico di materiali e dispositivi migliora le prestazioni e la longevità del dispositivo."

L'esperienza di Tomko nella metrologia laser, che misura il trasferimento di energia su scala nanometrica, ha rivelato che l'iniezione termica balistica è un nuovo percorso per l'auto-raffreddamento del dispositivo. La tecnica di misurazione di Tomko, più specificamente spettroscopia laser ottica, è un modo completamente nuovo per misurare il trasferimento di calore attraverso l'interfaccia metallo-semiconduttore.

"I precedenti metodi di misurazione e osservazione non potevano scomporre il meccanismo di trasferimento del calore separatamente dall'iniezione di carica, " ha detto Tomko.

Per i loro esperimenti, Il team di ricerca di Hopkins ha selezionato l'ossido di cadmio, un ossido trasparente conduttore di elettricità che assomiglia al vetro. L'ossido di cadmio è stata una scelta pragmatica perché le sue proprietà ottiche uniche si adattano bene al metodo di misurazione della spettroscopia laser di Tomko.

L'ossido di cadmio assorbe perfettamente i fotoni del medio infrarosso sotto forma di plasmoni, quasiparticelle composte da elettroni sincronizzati che sono un modo incredibilmente efficiente di accoppiare la luce in un materiale. Tomko ha utilizzato l'iniezione termica balistica per spostare la lunghezza d'onda della luce alla quale si verifica l'assorbimento perfetto, essenzialmente sintonizzando le proprietà ottiche dell'ossido di cadmio attraverso il calore iniettato.

"Le nostre osservazioni sull'accordatura ci consentono di affermare definitivamente che il trasferimento di calore avviene senza scambiare elettroni, " ha detto Tomko.

Tomko ha sondato i plasmoni per estrarre informazioni sul numero di elettroni liberi su ciascun lato del ponte tra il metallo e il semiconduttore. In questo modo, Tomko ha catturato la misurazione del posizionamento degli elettroni prima e dopo che il metallo è stato riscaldato e raffreddato.

La scoperta del team promette bene anche per le tecnologie di rilevamento a infrarossi. Le osservazioni di Tomko rivelano che l'accordatura ottica dura finché l'ossido di cadmio rimane caldo, tenendo presente che il tempo è relativo:un trilionesimo anziché un quadrilionesimo di secondo.

L'iniezione termica balistica può controllare l'assorbimento dei plasmoni e quindi la risposta ottica dei materiali non metallici. Such control enables highly efficient plasmon absorption at mid-infrared length. 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, "Ha detto Hopkins.

Tomko first-authored a paper documenting these findings. Nanotecnologia della natura 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. Il Nanotecnologia della natura 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 Nanotecnologia della natura 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.