Тепловые моменты быстро становятся одними из самых серьезных конструктивных ограничений в микроэлектронике, особенно на длинах субмикронного масштаба. Исследование ученых из Университета штата Иллинойс в Урбана-Шампейн показало, что стандартные тепловые модели приведут к неверному ответу в трехмерной задаче теплообмена, если размеры нагревательного элемента составляют порядка одного микрона или меньше.
«Поскольку материалы сжимаются, правила, регулирующие теплопередачу, также изменяются, — объяснил Дэвид Кэхилл, профессор материаловедения и инженерии. — Наше нынешнее понимание наноразмерного термического транспорта не достаточно детально, чтобы количественно предсказать, когда стандартная теория не будет работать. Это может повлиять на разработку мощных радиочастотных устройств, которые широко используются в телекоммуникационной отрасли, например, беспроводные 4G-инфраструктуры. Интервал транзистора в радиочастотных устройствах стремительно приближается к шкалам расстояний, где теория, основанная на диффузии тепла, не будет действительна, и используемые в настоящее время технические модели не будут точно предсказывать рабочую температуру устройства. Температура является одним из ключевых факторов для прогнозирования среднего времени до отказа».
«Наше исследование фокусируется на понимании физики теплового транспорта на субмикронных шкалах расстояний в присутствии интерфейса, — объяснил Ричард Уилсон, ведущий автор исследования, опубликованного в «Nature Communications». — Наше исследование сосредоточилось на множестве кристаллов, которые контролируют различия в тепловых транспортных свойствах, таких как кремний, легированный кремний, соединение кремния и германия и сплавы. Мы покрыли эти кристаллы тонкой металлической пленкой, нагрели поверхность лазерным лучом, а затем записали температурную эволюцию образца.
На шкалах расстояний короче, чем средние свободные пути фонона кристалла, тепло переносится баллистически, а не диффузно. Интерфейсы между материалами еще более усложняют задачу теплопередачи путем добавления дополнительного термического сопротивления».
Исследователи обнаружили, что когда радиус лазерного луча, используемого для нагрева металлического покрытия кристалла, был выше десяти микрон, предположения, что тепло переносится диффузно, соответствовали экспериментальным наблюдениям. Однако когда радиус приблизился к одному микрону, диффузная теория предсказала сумму энергии, унесенной от горячей поверхности.
«Мы обнаружили фундаментальные различия в том, как транспортируется тепло на коротком и длинном расстоянии. Теория Фурье, которая предполагает, что тепло транспортируется путем диффузии, предсказывает, что кубический кристалл, как кремний, будет нести тепло одинаково хорошо во всех направлениях. Мы продемонстрировали, что на короткой шкале расстояний тепло не переносится одинаково хорошо во всех направлениях», — заявил Уилсон.
Уилсон и Кэхилл также изучали влияние интерфейсов наноразмерного термического транспорта.
«Было известно, что наличие границы добавляет тепловое граничное сопротивление проблеме теплопередачи, но всегда предполагалось, что это граничное сопротивление было локализовано к интерфейсу и не зависело от тепловых транспортных свойств основного материала, — добавил Кэхилл. — Наши эксперименты показывают, что эти предположения, как правило, не действуют. В частности, для кристаллов с дефектами граничное сопротивление распределено и сильно зависит от концентрации дефектов».
Уилсон и Кэхилл также предоставили теоретическое описание своих результатов, которые могут быть использованы инженерами, чтобы лучше управлять теплом и температурой в наноразмерных устройствах.