Las consideraciones térmicas se están convirtiendo rápidamente en una de las limitaciones de diseño más graves en microelectrónica, especialmente en longitudes de escala submicrométricas. Un estudio realizado por investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign ha demostrado que los modelos térmicos estándar conducirán a una respuesta incorrecta en un problema de transferencia de calor tridimensional si las dimensiones del elemento calefactor son del orden de una micra o menos. .

"A medida que los materiales se encogen, las reglas que gobiernan la transferencia de calor también cambian, "explicó David Cahill, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en Illinois. "Nuestra comprensión actual del transporte térmico a nanoescala no es lo suficientemente matizada como para predecir cuantitativamente cuándo no funcionará la teoría estándar. Esto puede afectar el diseño de dispositivos de RF de alta potencia que se utilizan ampliamente en la industria de las telecomunicaciones, por ejemplo, Infraestructura inalámbrica 4G. El espaciado de transistores en los dispositivos de RF se está acercando rápidamente a escalas de longitud donde la teoría basada en la difusión del calor no será válida. y los modelos de ingeniería que se utilizan actualmente no predecirán con precisión la temperatura de funcionamiento del dispositivo. La temperatura es un factor clave para predecir el tiempo medio hasta la falla ".

"Nuestra investigación se centra en comprender la física del transporte térmico en escalas de longitud submicrónicas en presencia de una interfaz, "explicó Richard Wilson, autor principal del estudio publicado en Comunicaciones de la naturaleza . "Nuestro estudio se centró en una variedad de cristales que tienen diferencias controladas en las propiedades de transporte térmico, como Si, dopado si, y aleaciones de SiGe, ", Dijo Wilson." Cubrimos estos cristales con una fina película de metal, calentó la superficie con un rayo láser, y luego registró la evolución de la temperatura de la muestra.

"En escalas de longitud más cortas que las trayectorias libres medias de fonón del cristal, el calor se transporta balísticamente, no de forma difusa. Las interfaces entre materiales complican aún más el problema de la transferencia de calor al agregar resistencia térmica adicional ".

Los investigadores encontraron que cuando el radio del rayo láser utilizado para calentar los cristales recubiertos de metal era superior a diez micrones, las predicciones hechas asumiendo que el calor se transporta de manera difusa coincidieron con las observaciones experimentales. Sin embargo, cuando el radio se acerca a una micra, La teoría difusiva predijo en exceso la cantidad de energía transportada desde la superficie calentada.

"Descubrimos diferencias fundamentales en cómo se transporta el calor en distancias cortas y largas. Teoría de Fourier, que asume que el calor se transporta por difusión, predice que un cristal cúbico como el silicio transportará el calor igualmente bien en todas las direcciones. Demostramos que en escalas de longitud corta el calor no se transporta igualmente bien en todas las direcciones. Midiendo la temperatura de la superficie de la muestra en función de la distancia desde el centro de la región calentada, pudimos determinar qué tan lejos viajaba el calor paralelo a la superficie, y deducir eso, cuando las dimensiones del calentador son pequeñas, paralelamente a la superficie se transporta significativamente menos calor de lo que predice la teoría de Fourier, "Dijo Wilson.

Wilson y Cahill también estudiaron el efecto de las interfaces en el transporte térmico a nanoescala.

"Se sabe desde hace 75 años que la presencia de un límite añade una resistencia de límite térmica al problema de la transferencia de calor, pero siempre se ha asumido que esta resistencia en el límite se localiza en la interfaz y es independiente de las propiedades de transporte térmico del material subyacente, "Agregó Cahill." Nuestros experimentos muestran que estas suposiciones no son generalmente válidas. En particular para cristales con defectos, la resistencia en la frontera se distribuye y depende en gran medida de la concentración del defecto. "

Wilson y Cahill también proporcionaron una descripción teórica de sus resultados que los ingenieros de dispositivos pueden utilizar para gestionar mejor el calor y la temperatura en dispositivos a nanoescala.