I ricercatori della Georgia Tech sviluppano nuove misurazioni per la progettazione di dispositivi elettronici più freddi Leave a comment


Il Dr. Zhe Cheng (a sinistra) e il Prof. Samuel Graham (a destra) con la termoriflettenza nel dominio del tempo alla Georgia Tech (16 marzo 2020).

Quando telefoni cellulari, caricabatterie per veicoli elettrici o altri dispositivi elettronici si surriscaldano, le prestazioni peggiorano e alla fine il surriscaldamento può causarne lo spegnimento o il guasto. Per evitare che ciò accada i ricercatori stanno lavorando per risolvere il problema della dissipazione del calore prodotto durante la performance. Il calore che viene generato nel dispositivo durante il funzionamento deve defluire, idealmente con pochi ostacoli per ridurre l’aumento di temperatura. Spesso questa energia termica deve attraversare diversi materiali dissimili durante il processo e l’interfaccia tra questi materiali può causare problemi impedendo il flusso di calore.

Un nuovo studio condotto da ricercatori del Georgia Institute of Technology, Notre Dame, University of California Los Angeles, University of California Irvine, Oak Ridge National Laboratory e Naval Research Laboratory ha osservato modalità fononiche interfacciali che esistono solo all’interfaccia tra silicio (Si ) e germanio (Ge). Questa scoperta, pubblicata sulla rivista Comunicazioni sulla natura, mostra sperimentalmente che le teorie convenzionali vecchie di decenni per il trasferimento di calore interfacciale non sono complete e l’inclusione di questi modi fononici è giustificata.

“La scoperta delle modalità fononiche interfacciali suggerisce che i modelli convenzionali di trasferimento di calore alle interfacce che utilizzano solo proprietà fononiche di massa non sono accurati”, ha affermato Zhe Cheng, un Ph.D. laureato alla Georgia Tech’s George W. Woodruff School of Mechanical Engineering che ora è postdoc presso l’Università dell’Illinois a Urbana-Champaign (UIUC). “C’è più spazio per la ricerca nelle interfacce. Anche se queste modalità sono localizzate, possono contribuire alla conduttanza termica tra le interfacce”.

La scoperta apre un nuovo percorso da prendere in considerazione quando si progetta la conduttanza termica alle interfacce per il raffreddamento dell’elettronica e altre applicazioni in cui i fononi sono la maggior parte dei vettori di calore nelle interfacce dei materiali.

“Questi risultati porteranno a grandi progressi nelle applicazioni ingegneristiche del mondo reale per la gestione termica dell’elettronica di potenza”, ha affermato il coautore Samuel Graham, professore presso la Woodruff School of Mechanical Engineering presso la Georgia Tech e nuovo decano di ingegneria presso l’Università del Maryland. . “Le modalità fononiche interfacciali dovrebbero esistere ampiamente su interfacce solide. La comprensione e la manipolazione di queste modalità di interfaccia ci darà l’opportunità di migliorare la conduttanza termica attraverso interfacce tecnologicamente importanti, ad esempio, interfacce GaN-SiC, GaN-diamond, β-Ga2O3-SiC e β-Ga2O3-diamond”.

Presenza di modalità fono interfacciali confermata in laboratorio

I ricercatori hanno osservato sperimentalmente le modalità fononiche dell’interfaccia su un’interfaccia epitassiale Si-Ge di alta qualità utilizzando la spettroscopia Raman e la spettroscopia di perdita di energia degli elettroni ad alta risoluzione (EELS). Per capire il ruolo delle modalità fononiche interfacciali nel trasferimento di calore alle interfacce, hanno usato una tecnica chiamata termoriflettenza nel dominio del tempo nei laboratori della Georgia Tech e dell’UIUC per determinare la conduttanza termica dipendente dalla temperatura attraverso queste interfacce.

Hanno anche osservato un picco aggiuntivo pulito mostrato nelle misurazioni della spettroscopia Raman quando hanno misurato il campione con l’interfaccia Si-Ge, che non è stato osservato quando hanno misurato un wafer Si e un wafer Ge con lo stesso sistema. Sia le modalità interfacciali osservate che la conduttanza termica del confine sono state completamente catturate dalle simulazioni di dinamica molecolare (MD) e sono state confinate alla regione interfacciale come previsto dalla teoria.

“Questa ricerca è il risultato di un ottimo lavoro di squadra con tutti i collaboratori”, ha affermato Graham. “Senza questo team e gli strumenti unici a nostra disposizione, questo lavoro non sarebbe stato possibile”.

Andando avanti i ricercatori intendono continuare a perseguire la misurazione e la previsione delle modalità interfacciali, aumentare la comprensione del loro contributo al trasferimento di calore e determinare modi per manipolare queste modalità fononiche per aumentare il trasporto termico. I progressi in questo settore potrebbero portare a prestazioni migliori nei semiconduttori utilizzati nei satelliti, nei dispositivi 5G e nei sistemi radar avanzati, tra gli altri dispositivi.

I campioni di Si-Ge epitassiali utilizzati in questa ricerca sono stati coltivati ​​presso il Naval Research Lab degli Stati Uniti. Le misurazioni TEM e EELS sono state effettuate presso l’Università della California, Irvine e Oak Ridge National Labs. Le simulazioni MD sono state eseguite dall’Università di Notre Dame. Lo studio XRD è stato condotto presso l’UCLA.

Questo lavoro è sostenuto finanziariamente dall’US Office of Naval Research nell’ambito di un progetto MURI. Lo studio EELS presso l’UC Irvine è supportato dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti.

Citazione: https://doi.org/10.1038/s41467-021-27250-3

Informazioni sul Georgia Institute of Technology

Il Georgia Institute of Technology, o Georgia Tech, è una delle 10 migliori università di ricerca pubblica che sviluppano leader che fanno avanzare la tecnologia e migliorano la condizione umana. L’Istituto offre lauree in economia, informatica, design, ingegneria, arti liberali e scienze. I suoi quasi 44.000 studenti che rappresentano 50 stati e 149 paesi, studiano nel campus principale di Atlanta, nei campus in Francia e Cina e attraverso l’apprendimento a distanza e online. In qualità di università tecnologica leader, Georgia Tech è un motore di sviluppo economico per la Georgia, il sud-est e la nazione, conducendo oltre $ 1 miliardo di ricerche ogni anno per il governo, l’industria e la società.

Contatto:
Ben Wright
Responsabile delle comunicazioni
George W. Woodruff School of Mechanical Engineering
ben.wright@me.gatech.edu



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