Debido al continuo progreso en la miniaturización de dispositivos microelectrónicos y fotónicos de silicio, el enfriamiento de las estructuras de los dispositivos es cada vez más desafiante. El transporte de calor convencional en materiales a granel está dominado por fonones acústicos, que son cuasipartículas que representan las vibraciones reticulares del material, similar a la forma en que los fotones representan las ondas de luz. Desafortunadamente, este tipo de enfriamiento está llegando a sus límites en estas diminutas estructuras.

Sin embargo, los efectos de la superficie se vuelven dominantes a medida que los materiales en los dispositivos nanoestructurados se vuelven más delgados, lo que significa que las ondas superficiales pueden proporcionar la solución de transporte térmico requerida. Los fonón-polaritones de superficie (SPhP), ondas híbridas compuestas de ondas electromagnéticas de superficie y fonones ópticos que se propagan a lo largo de las superficies de las membranas dieléctricas, se han mostrado particularmente prometedoras, y un equipo dirigido por investigadores del Instituto de Ciencia Industrial, la Universidad de Tokio ahora ha demostrado y verificado las mejoras de conductividad térmica proporcionadas por estas ondas.

"Generamos SPhP en membranas de nitruro de silicio con varios espesores y medimos las conductividades térmicas de estas membranas en amplios rangos de temperatura, ", dice el autor principal del estudio, Yunhui Wu. Esto nos permitió establecer las contribuciones específicas de los SPhP a la conductividad térmica mejorada observada en las membranas más delgadas".

El equipo observó que la conductividad térmica de las membranas con espesores de 50 nm o menos en realidad se duplicó cuando la temperatura aumentó de 300 K a 800 K (aproximadamente 27 ° C a 527 ° C). A diferencia de, la conductividad de una membrana de 200 nm de espesor disminuyó en el mismo rango de temperatura porque los fonones acústicos todavía dominaban en ese espesor.

"Las mediciones mostraron que la función dieléctrica del nitruro de silicio no cambió mucho en el rango de temperatura experimental, lo que significaba que las mejoras térmicas observadas podrían atribuirse a la acción de los SPhP, "explica Masahiro Nomura del Instituto de Ciencias Industriales, autor principal del estudio. "La longitud de propagación de SPhP a lo largo de la interfaz de la membrana aumenta cuando el grosor de la membrana disminuye, lo que permite que los SPhP conduzcan mucha más energía térmica que los fonones acústicos cuando se utilizan estas membranas muy delgadas ".

El nuevo canal de enfriamiento proporcionado por los SPhP puede compensar así la conductividad térmica reducida del fonón que se produce en los materiales nanoestructurados. Por tanto, se espera que los SPhP encuentren aplicaciones en la gestión térmica de dispositivos microelectrónicos y fotónicos basados ​​en silicio.