热运输的新基本理解

来自麻省理工学院的工程师已经开发出一种测量位于碰撞之间的距离的新设备，在微电子中提供更细微的热量的差别。

今天的电脑芯片在指甲的宽度内将数十亿微小的晶体管包装在硅的宽度内。每个晶体管，只有数十纳米宽，充当与他人在一起的开关，执行计算机的计算。由于晶体管来回信号的浓密森林，它们会发出热量 - 如果芯片变得太热，则可以发出电子设备。

制造商通常应用经典的扩散理论，以衡量晶体管在计算机芯片中的温度升高。但现在麻省理工学院工程师的实验表明，这种普通理论并不在极小的长度尺度上保持。本集团的结果表明，扩散理论低估了纳米级热源的温度升高，例如计算机芯片晶体管。这种误法可能会影响芯片和其他微电子器件的可靠性和性能。

“我们验证了当热源非常小时，您不能使用扩散理论来计算设备的温度升高。温度升高高于扩散预测，在微电子中，您不希望发生这种情况，“麻省理工学院机械工程系负责人康教授康教授说。“所以这可能会改变人们如何考虑如何在微电子中模拟热问题的方式。”

本集团，包括凌平曾和研究所的研究生凌平和学院教授麻省理工学院，加州大学洛杉矶和奥斯汀·明尼尼奇的洛杉矶和卡特克奥斯汀·明尼迪什（Caltech）的MIT，在本周在杂志纳米技术期间发表了结果。

声子意味着自由路径分布

在设计实验后，陈和他的同事得出了他们的结论来测量材料中的热载体的“卑鄙的自由路径”分布。在半导体和电介质中，热量通常以声子的形式流动 - 波状颗粒，其通过材料承载热量并在其传播期间经历各种散射。声子的平均自由路径是声子在与另一个颗粒碰撞之前可以携带热量的距离;声子的平均自由路径越长，能够携带或进行热量越好。

由于平均自由路径可以在给定材料中从声子到声子 - 从几纳米到微米 - 材料表现出平均自由路径分布或范围。Chen Carl Richard Soderberg在MIT的电力工程教授推出，测量该分布将提供更详细的材料的热携带能力，使研究人员能够改造工程材料，例如，使用纳米结构来限制声子旅行的距离。

本集团试图建立一个框架和工具，以测量许多技术有趣的材料中的平均自由路径分布。有两种热传输制度：扩散制度和准态度。前者返回散装导热率，这掩盖了重要的自由路径分布。为了学习“卑鄙的自由路径”，研究人员意识到他们需要一个小的热源与声子均值的自由路径相比，以访问准群体，因为较大的热源将基本上掩盖了幻象的效果。

创建纳米级热源是一项重大挑战：激光只能集中在光波长的尺寸上，大约一个微米 - 超过10倍的均线在一些声子中的平均自由路径的长度。为了将激光能量集中到甚至更精细的区域，该团队将各种尺寸的铝点图案，从十几个微米下降到30纳米，穿过硅，硅锗合金，砷化镓，氮化镓和蓝宝石的表面。每个点吸收并集中激光的热量，然后将其作为声子流过下面的材料流过。

在他们的实验中，陈和他的同事使用微制造来改变铝点的尺寸，并测量从材料反射的脉冲激光的衰减 - 材料中的热传播的间接测量。他们发现，随着热源的尺寸变小，温度升高偏离扩散理论。

它们将其解释为作为热源的金属点变得更小，留下光点的声子倾向于变得“弹道”，在没有散射的情况下射过底层材料。在这些情况下，这种声子对材料的导热率没有多大贡献。但是对于作用于同一材料的大量热源，声子倾向于与其他声子碰撞并更频繁地散射。在这些情况下，目前正在使用的扩散理论变得有效。

详细的运输图片

对于每种材料，研究人员绘制了平均自由路径的分布，从材料的加热器尺寸依赖性导热率重建。总体而言，他们观察到预期的热传导的新图片：虽然普遍的古典扩散理论适用于大型热源，但它失效了小的热源。通过改变热源的大小，陈和他的同事可以映射碰撞之间的距离旅行多远，以及它们有助于热传导。

曾说，该集团的实验设置可用于更好地理解，并且可能曲调材料的导热率。例如，如果工程师希望具有某些热性质的材料，则平均自由路径分布可以用作在提示声子碰撞的材料位置内设计特定的“散射中心”的蓝图，又散射热传播，导致减少热携带能力。尽管在保持计算机芯片冷却时，这种效果是不希望的，但它们适用于热电装置，其将热量转换为电力。对于这种应用，需要导电但是热绝缘的材料。

“重要的是，我们有一个光谱学工具来测量均值的自由路径分布，并且该分布对于许多技术应用很重要，”曾说。

该研究部分由MIT的固态太阳能热能转换中心部分资助，该中心由美国能源部资助。

出版物：永杰胡等，“通过纳米球传输的热导率的光谱映射”，“自然纳米技术（2015）; DOI：10.1038 / nnano.2015.109

图像：麻省理工学院; Istock.