工程发现挑战指导电子和光子器件设计的传热范式

弗吉尼亚大学工程学院的一项研究突破展示了一种控制温度和延长电子和光子设备(如传感器、智能手机和晶体管)寿命的新机制。这一发现来自 UVA 热工程研究小组的实验和模拟，挑战了半导体设计中关于热传递的基本假设。在器件中，电触点形成于金属和半导体材料的接合处。传统上，材料和设备工程师假设电子能量通过称为电荷注入的过程穿过这个结，小组负责人帕特里克霍普金斯说，他是机械和航空航天工程教授，在材料科学、工程和物理学方面有礼貌的任命。

电荷注入假定随着电荷的流动，电子从金属物理跃迁到半导体，带走多余的热量。这会改变绝缘或半导体材料的电气成分和特性。与电荷注入同时进行的冷却会显着降低器件的效率和性能。

Hopkins 的团队发现了一种新的传热路径，该路径具有与电荷注入相关的冷却优势，而没有电子物理移动到半导体器件中的任何缺点。他们称这种机制为弹道热注入。

正如霍普金斯大学的顾问约翰汤姆科所描述的那样，博士。材料科学与工程专业的学生：“电子到达其金属和半导体之间的桥，看到另一个电子穿过桥并与之相互作用，传递热量但留在桥的自己一侧。半导体材料吸收了大量的热量，但电子的数量保持不变。”

“通过保持电荷密度恒定来冷却电触点的能力为电子冷却提供了一个新方向，而不会影响设备的电气和光学性能，”霍普金斯说。“独立优化材料和设备的光学、电学和热行为的能力提高了设备​​性能和寿命。”

Tomko 在激光计量学方面的专业知识——测量纳米级的能量转移——揭示了弹道热注入是设备自冷却的新途径。Tomko 的测量技术，更具体地说是光学激光光谱，是一种测量金属-半导体界面传热的全新方法。

“以前的测量和观察方法无法将传热机制与电荷注入分开分解，”Tomko 说。

在他们的实验中，霍普金斯大学的研究小组选择了氧化镉，一种看起来像玻璃的透明导电氧化物。氧化镉是一种务实的选择，因为其独特的光学特性非常适合 Tomko 的激光光谱测量方法。

氧化镉以等离子激元的形式完美吸收中红外光子，等离子激元是由同步电子组成的准粒子，是将光耦合到材料中的一种非常有效的方式。Tomko 使用弹道热注入来移动发生完美吸收的光波长，基本上通过注入的热量来调整氧化镉的光学特性。

“我们对调谐的观察使我们能够明确地说，热传递是在不交换电子的情况下发生的，”汤姆科说。

Tomko 探测等离子体以提取有关金属和半导体之间桥两侧的自由电子数量的信息。通过这种方式，Tomko 捕获了金属加热和冷却前后电子位置的测量结果。

该团队的发现也为红外传感技术提供了希望。Tomko 的观察表明，只要氧化镉保持热状态，光学调谐就会持续，记住时间是相对的——万亿分之一秒而不是千万分之一秒。

弹道热注入可以控制等离子体吸收，从而控制非金属材料的光学响应。这种控制能够在中红外长度上实现高效的等离子体吸收。这一发展的一个好处是，夜视设备可以对突然、剧烈的热量变化做出更快的反应，否则会使设备暂时失明。

霍普金斯说：“在超快等离子体应用中实现这种跨越金属/氧化镉界面的弹道热注入过程，为我们使用该过程有效冷却其他与设备相关的材料界面打开了大门。”

Tomko 首次撰写了一篇论文，记录了这些发现。Nature Nanotechnology于 11 月 9 日发表了该团队的论文《Long-lived Modulation of Plasmonic Absorption by Ballistic Thermal Injection》;该论文还在期刊编辑的新闻和观点中得到了宣传。在自然纳米技术论文增加对Tomko，谁共同撰写的论文30余篇，现在可以宣称的两个第一作者出版一长串自然纳米技术论文的研究生。

该研究论文以陆军研究办公室多大学研究计划资助的为期两年的合作努力告终。宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程教授 Jon-Paul Maria 是 MURI 资助的首席研究员，其中包括南加州大学和 UVA。该 MURI 团队还与范德比尔特大学机械工程和电气工程副教授 Josh Caldwell 合作。

该团队的突破依赖于宾夕法尼亚州立大学在制作氧化镉样品方面的专业知识、范德比尔特在光学建模方面的专业知识、南加州大学的计算建模以及 UVA 在能量传输、电荷流和与异质界面等离子体激元的光子相互作用方面的专业知识，包括开发一种新型超快泵浦探针激光实验来监测这种新型弹道热注入过程。

标签： 光子器件设计