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半导体技术突破有望?“极化子”可开辟一条传热高速公路……

在热传递的“高速公路”上,热能通过称为声子的量子粒子传递。但在当今最尖端的纳米级半导体中,这些声子并不能带走足够的热量。

有鉴于此,美国普渡大学的研究人员希望在传热“高速公路”上开辟一条新的纳米通道,通过使用被称为“极化子”的混合准粒子。

普渡大学机械工程副教授Thomas Beechem解释说,“我们有几种描述能量的方法。当我们谈论光时,我们用称为‘光子’的粒子来描述它。热量也以可预测的方式携带能量,我们把这些能量波称为‘声子’。”

“但有时根据材料的不同,光子和声子会结合在一起,形成一种叫做‘极化子’的新东西。它以自己的方式携带能量,与光子或声子不同。”他补充说。

像光子和声子一样,极化子不是人类可以看到或捕获的物理粒子。它们更像是描述能量交换的方式。更生动地说,“声子就像内燃机汽车,光子就像电动汽车”,而极化子就是“混合动力车”,它保留了两者的一些特性,但也有自己的特殊之处。

事实上,极化子已被用于光学应用——从彩色玻璃到家庭健康测试。但它们转移热量的能力在很大程度上被忽视了,因为只有当材料的尺寸变得非常小时,它们的影响才会变得显著。

研究人员说:“我们知道,声子承担了大部分的传热工作,极化子的效应只能在纳米尺度上观察到。但由于半导体的存在,我们直到现在才需要解决这个级别的传热问题。”

“半导体已经变得非常小和复杂,”他们继续说,“设计和制造这些芯片的人发现,声子在这些非常小的尺度上不能有效地分散热量。我们的论文表明,在这些长度尺度上,极化子可以贡献更大的导热率。”

最新研究结果已于近期发表在了《应用物理杂志》上。

研究人员表示,“在热传导领域,我们对极化效应的描述非常具体。最新研究证明了这不是随机事件。在任何厚度小于10纳米的表面上,极化子都会开始主导热传递。这是iPhone 15上晶体管的两倍。”

“我们基本上在高速公路上开辟了一条额外的车道。器件越小,这条额外的通道就越重要。随着半导体的不断缩小,我们需要考虑设计传导路径,以利用声子和极化子这两条车道。”他们补充道。

研究人员还称,芯片制造涉及到很多材料,从硅本身到电介质和金属。其最新研究的前进方向是了解如何使用这些材料更有效地传导热量,认识到极化提供了一条全新的能量转移途径。

认识到这一点,研究人员希望向芯片制造商展示如何将这些基于极化的纳米级传热原理整合到芯片的物理设计中。虽然这项工作目前还停留在理论阶段,但物理实验已经迫在眉睫。

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