随着电子设备越来越小,保持它们的凉爽是一个重大挑战。即使是微小的电流也能产生足够的热量,损坏非常小的部件。新的实验表明,被称为表面等离子体激元(SPP)的表面电子波可以帮助在微型设备中散热。研究人员测量了金属薄膜中这些表面激发所携带的热量,发现SPP的贡献可以将总散热量提高四分之一。这种薄膜的进一步工程化可能会增加SPP带走的热量。
晶体管等器件现在被封装到集成电路中的密度使得热管理成为电子和信息技术面临的最大挑战之一。当金属或半导体薄膜等组件达到纳米级尺寸时,由于材料的集体原子振动(称为声子)受到限制,以至于它们无法有效地将热量从热点传导出去,问题可能会变得更糟。
补偿这种尺寸效应的一种方法是调动其他类型的激发来散热。一些研究人员试图利用表面声子极化激元,这是与材料表面的光波相互作用的原子晶格的集体振动。但到目前为止,还没有人在最常见的设备配置(位于另一种材料之上的薄膜)中显示出这些激发对热导率有任何增强作用。
韩国高级科学技术研究所的Bong Jae Lee及其同事认为,一种不同但相关的表面激发SPP可能会代替这项工作。在这里,耦合到光波的波状激发不是发生在原子的振动中,而是发生在表面附近携带电流的移动电子中。因此,薄膜中的电子可能会通过形成穿过表面的SPP将热能从热点传输出去。
为了验证这个想法,Lee及其同事测量了位于较厚绝缘二氧化硅板(基板)上的金属钛薄盘状薄膜的热耗散情况。他们使用激光对薄膜进行局部加热,并使用一种称为热反射的方法来监测热量是如何消散的。加热自发地在顶部(暴露于空气)和底部(与基板接触)上产生SPP。
为了弄清楚SPP对耗散的贡献,研究人员使用了各种半径的圆盘。SPP通常会在显著衰减之前传播几厘米。但是,如果磁盘半径远小于该衰减距离,SPP将被迫更快地衰减,与较小的半径相称——这会减少SPP对热传导的贡献。Lee及其同事发现,对于半径为28毫米的圆盘,激光加热点的热耗散大于半径为0.2毫米的圆盘。
从这种尺寸依赖性,他们推断出SPP可以将薄膜表面的热传导增加高达25%,相对于它在金属主体中更深的值。“仍有进一步改进的空间,”Lee说。增加耗散的一种可能方法是使用吸收SPP激发的倾向较小的不同金属和基材。
耗散效应最适用于特定厚度的金属薄膜——此处约为70nm。如果薄膜厚得多,与通过大部分材料的传导相比,表面的热传导通道变得不那么重要。如果薄膜较薄,则薄膜顶面和底面的SPP会相互作用并相互干扰,从而降低传导效率。
东京大学的半导体纳米结构热物理专家Masahiro Nomura说:“这是首次实验证明SPP有助于传热。这次演示非常重要,因为它打开了一个新的传热通道。”
得克萨斯州莱斯大学的电气工程师Alessandro Alabastri说:“虽然测量到的(热导率)提高是有限的,但进一步的研究和工程可能会取得很大的结果。如果是这样的话,SPP可能会提供一个额外的旋钮来操纵纳米级的热传递,在微器件和光电子方面具有显著优势。”然而,他警告说,对相对较大宽度的薄膜的需求将限制工程师在最小系统中利用SPP的能力。
该研究发表于《物理评论快报》期刊。
DOI:10.1103/PhysRevLett.130.176302