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    工程发现挑战了指导电子和光子设备设计的传热范式:一项研究突破证明了一种控制温度并延长电子和光子设备(例如传感器,智能手机和晶体管)寿命的新机制
    2021年04月18日    阅读量:8842    新闻来源:中国建材网 cnprofit.com  |  投稿

    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并延长电子和光子设备(例如传感器,智能手机和晶体管)寿命的新机制。


    该发现来自UVA在热工程研究小组的实验和模拟中,对有关半导体设计中传热的基本假设提出了挑战。在设备中,电触点在金属和半导体材料的连接处形成中国建材网cnprofit.com


    机械和航空航天工程学教授帕特里克·霍普金斯(Patrick Hopkins)表示,传统上,材料和设备工程师一直认为电子能量会通过称为电荷注入的过程跨过这个结。


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    电荷注入假定,随着电荷的流动,电子会从金属物理跃迁到半导体中,并带走多余的热量。这改变了绝缘或半导电材料的电组成和性能。与电荷注入同时进行的冷却会大大降低器件的效率和性能。


    霍普金斯的研究小组发现了一条新的传热路径,该路径具有与电荷注入相关的冷却优点,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射。


    正如霍普金斯大学的顾问约翰·汤姆科(John Tomko)所描述的那样。材料科学与工程专业的学生:“电子到达其金属与半导体之间的桥,看到另一个电子穿过桥并与之相互作用,传递热量,但停留在桥自身的一侧。半导体材料吸收电子。大量的热量,但是电子数量保持不变。”


    霍普金斯说:“通过保持恒定的电荷密度来冷却电触点的能力为电子冷却提供了新的方向,而又不影响器件的电学和光学性能。” 独立地优化材料和器件的光学,电气和热性能的能力提高了器件的性能和寿命。”


    Tomko在激光计量学方面的专业知识-在纳米级测量能量转移-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学,是一种测量跨金属-半导体界面传热的全新方法。


    Tomko说:“以前的测量和观察方法无法将热传递机理与电荷注入分开分解。”


    对于他们的实验,霍普金斯大学的研究小组选择了氧化镉,一种类似于玻璃的透明导电氧化物。氧化镉是一种务实的选择,因为其独特的光学性能非常适合Tomko的激光光谱测量方法。


    氧化镉可以完美吸收等离子激元形式的中红外光子,这种等离激元是由同步电子组成的准粒子,是将光耦合到材料中的极其有效的方法。Tomko使用弹道热注射来移动发生完美吸收的光波长,从而通过注入的热量来实质上调节氧化镉的光学特性。


    Tomko说:“我们对调谐的观察使我们能够确切地说出传热是在不交换电子的情况下进行的。”


    Tomko探测了等离激元,以提取有关金属与半导体之间电桥两侧的自由电子数的信息。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的观察结果表明,只要氧化镉保持高温,光学调谐就会持续,请记住,时间是相对的-一万亿分之一秒而不是四分之一秒。


    弹道热注射可以控制等离激元吸收,从而控制非金属材料的光学响应。这样的控制使得能够在中红外长度高效吸收等离激元。这种发展的一个好处是,可以使夜视设备对突然的,剧烈的热量变化做出更好的响应,否则这种变化会使设备暂时失明。


    霍普金斯说:“实现超快等离子应用的跨金属/氧化镉界面的这种弹道热注射工艺为我们使用该工艺有效冷却其他与器件相关的材料界面打开了一扇门。”


    Tomko首先撰写了一篇论文,记录了这些发现。Nature Nanotechnology于11月9日发表了该团队的论文《弹道热注射对等离子体吸收的长效调制》;该论文还在期刊编辑的《新闻与观点》中得到推广。《自然纳米技术》论文增加了Tomko的大量出版物,Tomko与他人合着了30多篇论文,现在可以声称自己是研究生的两本《自然纳米技术》论文的第一作者。


    该研究论文最终由美国陆军研究办公室多大学研究计划资助,为期两年。宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程学教授乔恩·保罗·玛丽亚(Jon-Paul Maria)是MURI资助的主要研究者,该资助包括南加州大学和UVA。这个MURI小组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。


    团队的突破依靠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,南加州大学的计算模型以及UVA在能量传输,电荷流以及与等离子在异质界面上与等离激元相互作用的专业知识。新型超快泵浦探针激光实验的开发,以监视这种新型弹道热注射过程。


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