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工程發現挑戰了指導電子和光子設備設計的傳熱范式:一項研究突破證明了一種控制溫度并延長電子和光子設備(例如傳感器,智能手機和晶體管)壽命的新機制,中國建材網,cnprofit.com
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工程發現挑戰了指導電子和光子設備設計的傳熱范式:一項研究突破證明了一種控制溫度并延長電子和光子設備(例如傳感器,智能手機和晶體管)壽命的新機制
2021年04月18日    新聞來源:中國建材網 cnprofit.com    |  投稿

弗吉尼亞大學工程學院的一項研究突破展示了一種控制溫度并延長電子和光子設備(例如傳感器,智能手機和晶體管)壽命的新機制。


該發現來自UVA在熱工程研究小組的實驗和模擬中,對有關半導體設計中傳熱的基本假設提出了挑戰。在設備中,電觸點在金屬和半導體材料的連接處形成中國建材網cnprofit.com。


機械和航空航天工程學教授帕特里克·霍普金斯(Patrick Hopkins)表示,傳統上,材料和設備工程師一直認為電子能量會通過稱為電荷注入的過程跨過這個結。


工程發現挑戰了指導電子和光子設備設計的傳熱范式:一項研究突破證明了一種控制溫度并延長電子和光子設備(例如傳感器,智能手機和晶體管)壽命的新機制 中國建材網,cnprofit.com


電荷注入假定,隨著電荷的流動,電子會從金屬物理躍遷到半導體中,并帶走多余的熱量。這改變了絕緣或半導電材料的電組成和性能。與電荷注入同時進行的冷卻會大大降低器件的效率和性能。


霍普金斯的研究小組發現了一條新的傳熱路徑,該路徑具有與電荷注入相關的冷卻優點,而沒有電子物理移動到半導體器件中的任何缺點。他們稱這種機制為彈道熱注射。


正如霍普金斯大學的顧問約翰·湯姆科(John Tomko)所描述的那樣。材料科學與工程專業的學生:“電子到達其金屬與半導體之間的橋,看到另一個電子穿過橋并與之相互作用,傳遞熱量,但停留在橋自身的一側。半導體材料吸收電子。大量的熱量,但是電子數量保持不變?!?/p>


霍普金斯說:“通過保持恒定的電荷密度來冷卻電觸點的能力為電子冷卻提供了新的方向,而又不影響器件的電學和光學性能?!?獨立地優化材料和器件的光學,電氣和熱性能的能力提高了器件的性能和壽命?!?/p>


Tomko在激光計量學方面的專業知識-在納米級測量能量轉移-揭示了彈道熱注入是設備自冷卻的新途徑。Tomko的測量技術,更具體地說是光學激光光譜學,是一種測量跨金屬-半導體界面傳熱的全新方法。


Tomko說:“以前的測量和觀察方法無法將熱傳遞機理與電荷注入分開分解?!?/p>


對于他們的實驗,霍普金斯大學的研究小組選擇了氧化鎘,一種類似于玻璃的透明導電氧化物。氧化鎘是一種務實的選擇,因為其獨特的光學性能非常適合Tomko的激光光譜測量方法。


氧化鎘可以完美吸收等離子激元形式的中紅外光子,這種等離激元是由同步電子組成的準粒子,是將光耦合到材料中的極其有效的方法。Tomko使用彈道熱注射來移動發生完美吸收的光波長,從而通過注入的熱量來實質上調節氧化鎘的光學特性。


Tomko說:“我們對調諧的觀察使我們能夠確切地說出傳熱是在不交換電子的情況下進行的?!?/p>


Tomko探測了等離激元,以提取有關金屬與半導體之間電橋兩側的自由電子數的信息。通過這種方式,Tomko捕獲了金屬加熱和冷卻前后電子位置的測量結果。


該團隊的發現也為紅外傳感技術提供了希望。Tomko的觀察結果表明,只要氧化鎘保持高溫,光學調諧就會持續,請記住,時間是相對的-一萬億分之一秒而不是四分之一秒。


彈道熱注射可以控制等離激元吸收,從而控制非金屬材料的光學響應。這樣的控制使得能夠在中紅外長度高效吸收等離激元。這種發展的一個好處是,可以使夜視設備對突然的,劇烈的熱量變化做出更好的響應,否則這種變化會使設備暫時失明。


霍普金斯說:“實現超快等離子應用的跨金屬/氧化鎘界面的這種彈道熱注射工藝為我們使用該工藝有效冷卻其他與器件相關的材料界面打開了一扇門?!?/p>


Tomko首先撰寫了一篇論文,記錄了這些發現。Nature Nanotechnology于11月9日發表了該團隊的論文《彈道熱注射對等離子體吸收的長效調制》;該論文還在期刊編輯的《新聞與觀點》中得到推廣?!蹲匀患{米技術》論文增加了Tomko的大量出版物,Tomko與他人合著了30多篇論文,現在可以聲稱自己是研究生的兩本《自然納米技術》論文的第一作者。


該研究論文最終由美國陸軍研究辦公室多大學研究計劃資助,為期兩年。賓夕法尼亞州立大學材料科學與工程學教授喬恩·保羅·瑪麗亞(Jon-Paul Maria)是MURI資助的主要研究者,該資助包括南加州大學和UVA。這個MURI小組還與范德比爾特大學機械工程和電氣工程副教授Josh Caldwell合作。


團隊的突破依靠賓夕法尼亞州立大學在制作氧化鎘樣品方面的專業知識,范德比爾特在光學建模方面的專業知識,南加州大學的計算模型以及UVA在能量傳輸,電荷流以及與等離子在異質界面上與等離激元相互作用的專業知識。新型超快泵浦探針激光實驗的開發,以監視這種新型彈道熱注射過程。


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