纳米尺度的发现有助于防止电子器件过热

博尔德大学的研究人员已经了解到为什么一些纳米源在聚集在一起时会变冷,这可以帮助公司开发出不会过热的电子产品。

由丹尼尔应变 2021年9月25日
Courtesy: Steven Burrows, JILA

一组物理学家在铜博尔德他解开了纳米领域一个令人困惑的现象背后的谜团:为什么一些超小的热源如果你把它们放在一起,冷却得更快。这些研究结果将发表在本周的杂志上美国国家科学院院刊美国国家科学院院刊(PNAS)的一项研究发现,有一天可以帮助科技行业设计出速度更快、温度更低的电子设备。

“在设计电子产品时,热量通常是一个具有挑战性的考虑因素。你造了一个设备,然后发现它加热的速度比预期的快,”该研究的合著者Joshua Knobloch说JILA是科罗拉多大学博尔德分校和美国国家标准与技术研究所(NIST)的联合研究机构。“我们的目标是了解相关的基础物理学,这样我们就可以设计未来的设备,有效地管理热量流动。”

这项研究始于一项无法解释的观察。2015年,由物理学家Margaret Murnane和Henry Kapteyn领导的研究人员在JILA用金属条做实验在硅基上比人类头发的宽度还要细很多倍。当他们用激光加热这些金属条时,奇怪的事情发生了。

“他们的行为与我们的直觉完全相反,”Knobloch说。“这些纳米尺度的热源通常不能有效散热。但如果你把它们挤在一起,它们冷却得更快。”

现在,研究人员知道为什么会发生这种情况。

在这项新研究中,他们使用基于计算机的模拟来跟踪纳米棒的热量传递。他们发现,当他们把热源放在一起时,它们产生的能量振动开始相互反弹,散射热量,冷却棒。

该小组的研究结果突显出在设计微处理器或量子计算机芯片等下一代微型设备时面临的一个重大挑战:当你缩小到非常小的规模时,热量的表现并不总是像你认为的那样。

激光加热超薄的硅棒。Courtesy: Steven Burrows, JILA

激光加热超薄的硅棒。Courtesy: Steven Burrows, JILA

一个原子

研究人员补充说,设备中的热量传递很重要。即使是像计算机芯片这样的电子产品设计上的微小缺陷也会导致温度升高,增加设备的磨损。随着科技公司努力生产越来越小的电子产品,他们需要比以往任何时候都更加关注声子——固体中携带热量的原子振动。

“热流涉及非常复杂的过程,很难控制,”Knobloch说。“但如果我们能理解声子在小尺度上的行为,那么我们就能定制它们的传输,让我们能够建造更高效的设备。”

为了做到这一点,Murnane, Kapteyn和他们的实验物理学家团队与一群由Mahmoud Hussein教授领导的理论家们联合起来安和h。j。斯米德航天工程科学系.他的小组专门研究声子运动的模拟或建模。

侯赛因说:“在原子尺度上,传热的本质以一种新的眼光出现。物理系

研究人员基本上重现了几年前的实验,但这次完全是在电脑上进行的。他们制作了一系列硅棒的模型,像火车轨道上的板条一样并排放置,并对它们进行加热。

克诺布洛赫说,模拟是如此详细,以至于该团队可以从头到尾跟踪模型中每个原子的行为——模型中有数百万个原子。

“我们真的是在挑战记忆的极限峰会的超级计算机在博尔德大学,”他说。

指导热

这项技术得到了回报。例如,研究人员发现,当硅棒间距足够远时,热量倾向于以一种可预测的方式从这些材料中逃逸。能量从棒子中泄漏,进入棒子下面的材料中,向各个方向消散。

然而,当铁栏靠得更近时,又发生了别的事情。当这些热源散发的热量分散时,它有效地迫使能量以一致的方向更强烈地流向远离热源的地方——就像体育场里的一群人相互推挤,最终从出口跳出来。研究小组称这种现象为“定向热通道”。

Knobloch说:“这种现象增加了热量向下输送到基底,远离热源。”

研究人员猜测,有朝一日,工程师们可以利用这种不同寻常的行为,来更好地掌握小型电子器件中的热流——引导能量沿着所希望的路径流动,而不是让它失控。

目前,研究人员将这项最新研究视为来自不同学科的科学家在一起工作时可以做的事情。

Murnane说:“这个项目是科学和工程之间令人兴奋的合作,马哈茂德小组开发的先进计算分析方法对于理解我们小组早些时候使用新的极紫外量子光源发现的新材料行为至关重要。”

- Chris Vavra编辑,网页内容经理,控制工程, CFE Media and Technology,cvavra@cfemedia.com


丹尼尔应变
作者简介:丹尼尔·斯特兰,科罗拉多大学博尔德分校的科学作家