Un avance en la investigación de la Escuela de Ingeniería de la Universidad de Virginia demuestra un nuevo mecanismo para controlar la temperatura y extender la vida útil de los dispositivos electrónicos y fotónicos, como los sensores, teléfonos inteligentes y transistores.

El descubrimiento, de los experimentos y simulaciones de UVA en el grupo de investigación de ingeniería térmica, desafía una suposición fundamental sobre la transferencia de calor en el diseño de semiconductores. En dispositivos, Los contactos eléctricos se forman en la unión de un metal y un material semiconductor. Tradicionalmente, Los ingenieros de materiales y dispositivos han asumido que la energía electrónica se mueve a través de esta unión a través de un proceso llamado inyección de carga. dijo el líder del grupo Patrick Hopkins, profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial con nombramientos de cortesía en ciencia e ingeniería de materiales y física.

La inyección de carga postula que con el flujo de la carga eléctrica, los electrones saltan físicamente del metal al semiconductor, llevándose su exceso de calor con ellos. Esto cambia la composición eléctrica y las propiedades de los materiales aislantes o semiconductores. El enfriamiento que va de la mano con la inyección de carga puede degradar significativamente la eficiencia y el rendimiento del dispositivo.

El grupo de Hopkins descubrió una nueva ruta de transferencia de calor que abarca los beneficios del enfriamiento asociados con la inyección de carga sin ninguno de los inconvenientes de que los electrones se muevan físicamente hacia el dispositivo semiconductor. A este mecanismo lo llaman inyección térmica balística.

Como lo describió el asesor de Hopkins, John Tomko, un doctorado estudiante de ciencia e ingeniería de materiales:"El electrón llega al puente entre su metal y el semiconductor, ve otro electrón a través del puente e interactúa con él, transfiriendo su calor pero permaneciendo en su propio lado del puente. El material semiconductor absorbe mucho calor, pero el número de electrones permanece constante ".

"La capacidad de enfriar los contactos eléctricos manteniendo constantes las densidades de carga ofrece una nueva dirección en el enfriamiento electrónico sin afectar el rendimiento eléctrico y óptico del dispositivo, "Hopkins dijo." La capacidad de optimizar de forma independiente la óptica, El comportamiento eléctrico y térmico de materiales y dispositivos mejora el rendimiento y la longevidad del dispositivo ".

La experiencia de Tomko en metrología láser, que mide la transferencia de energía a nanoescala, reveló la inyección térmica balística como un nuevo camino para el autoenfriamiento del dispositivo. La técnica de medición de Tomko, más concretamente espectroscopia láser óptica, es una forma completamente nueva de medir la transferencia de calor a través de la interfaz metal-semiconductor.

"Los métodos anteriores de medición y observación no podían descomponer el mecanismo de transferencia de calor por separado de la inyección de carga, "Dijo Tomko.

Por sus experimentos, El equipo de investigación de Hopkins seleccionó óxido de cadmio, un óxido transparente conductor de electricidad que parece vidrio. El óxido de cadmio fue una elección pragmática porque sus propiedades ópticas únicas se adaptan bien al método de medición por espectroscopía láser de Tomko.

El óxido de cadmio absorbe perfectamente los fotones del infrarrojo medio en forma de plasmones, cuasipartículas compuestas de electrones sincronizados que son una forma increíblemente eficiente de acoplar la luz en un material. Tomko usó inyección térmica balística para mover la longitud de onda de la luz a la que ocurre la absorción perfecta, esencialmente sintonizando las propiedades ópticas del óxido de cadmio a través del calor inyectado.

"Nuestras observaciones de la sintonía nos permiten decir definitivamente que la transferencia de calor ocurre sin intercambiar electrones, "Dijo Tomko.

Tomko sondeó los plasmones para extraer información sobre el número de electrones libres en cada lado del puente entre el metal y el semiconductor. De este modo, Tomko capturó la medición de la ubicación de los electrones antes y después de calentar y enfriar el metal.

El descubrimiento del equipo también ofrece promesas para las tecnologías de detección de infrarrojos. Las observaciones de Tomko revelan que la sintonización óptica dura mientras el óxido de cadmio permanezca caliente, teniendo en cuenta que el tiempo es relativo:una billonésima en lugar de una cuadrillonésima de segundo.

La inyección térmica balística puede controlar la absorción de plasmón y, por tanto, la respuesta óptica de los materiales no metálicos. Dicho control permite una absorción de plasmón altamente eficaz en la longitud del infrarrojo medio. One benefit of this development is that night vision devices can be made more responsive to a sudden, intense change in heat that would otherwise leave the device temporarily blind.

"The realization of this ballistic thermal injection process across metal/cadmium oxide interfaces for ultrafast plasmonic applications opens the door for us to use this process for efficient cooling of other device-relevant material interfaces, "Dijo Hopkins.

Tomko first-authored a paper documenting these findings. Nanotecnología de la naturaleza published the team's paper, Long-lived Modulation of Plasmonic Absorption by Ballistic Thermal Injection, on November 9; the paper was also promoted in the journal editors' News and Views. los Nanotecnología de la naturaleza paper adds to a long list of publications for Tomko, who has co-authored more than 30 papers and can now claim first-authorship of two Nanotecnología de la naturaleza papers as a graduate student.

The research paper culminates a two-year, collaborative effort funded by a U.S. Army Research Office Multi-University Research Initiative. Jon-Paul Maria, professor of materials science and engineering at Penn State University, is the principal investigator for the MURI grant, which includes the University of Southern California as well as UVA. This MURI team also collaborated with Josh Caldwell, associate professor of mechanical engineering and electrical engineering at Vanderbilt University.

The team's breakthrough relied on Penn State's expertise in making the cadmium oxide samples, Vanderbilt's expertise in optical modeling, the University of Southern California's computational modeling, and UVA's expertise in energy transport, charge flow, and photonic interactions with plasmons at heterogeneous interfaces, including the development of a novel ultrafast-pump-probe laser experiment to monitor this novel ballistic thermal injection process.