Çinli bilim adamları sıcak cep telefonlarının suçunu keşfettiler, araştırma sonuçları nükleer pillerin gelişimini teşvik edebilir
Editörün notu: 1970'lerde Gordon Moore adında bir adam, yarı iletken endüstrisi hakkındaki kendi algısına dayanarak, yongaların performansının her 18 ayda iki katına çıkacağını tahmin etti. Bu tahmin son 40 yılda doğru çıktı ve çipteki transistör yoğunluğu da iki katına çıktı, ikiye katlandı ve ikiye katlandı.
Çiplere aşina olanlar için, Yüksek performansa genellikle bu yüksek ateş eşlik eder Elektronik ürünlere olan bağımlılığımız arttıkça, cep telefonlarının, tabletlerin, dizüstü bilgisayarların vb. Isı sorunları kullanıcı deneyimini olumsuz etkilediği gibi, üreticilerin daha güzel ve hafif yeni ürünler tasarlamasını da engelliyor.
Elektronik ürünlerin, özellikle mikro elektronik cihazların ısınma problemini çözmek için öncelikle ısının temel nedenini anlamalıyız. Ve bu cevap, Dr. Liao Yunlin tarafından yayınlanan son makalede gizlenmiş olabilir. Eski Sichuan Eyalet Koleji Giriş Sınavı Bursu Profesör Chen Gang tarafından öğretildi ve bu yıl Massachusetts Teknoloji Enstitüsünden doktorasını aldı.
Araştırma ekibi, elektronlar ve fononlar arasındaki etkileşimi ve sonuçları doğru bir şekilde ölçtü. Yalnızca mikroelektronik ekipmanın ısı üretimini açıklamakla kalmaz, aynı zamanda termoelektrik malzemelerin performansını daha da iyileştirmek için de kullanılabilir. .
Yarı iletken yongaların geliştirilmesiyle, gittikçe daha fazla transistör gittikçe küçülen alanlara yerleştiriliyor. MIT mühendisleri, cep telefonları, dizüstü bilgisayarlar vb. Tarafından yapılan en son keşifler. Elektronik cihazlar, esas olarak ısı taşıyan elektronların ve fononların etkileşimi nedeniyle ısınır.
Bu tür bir etkileşim bir zamanlar bilim adamları tarafından göz ardı edilmişti.Ancak, en son araştırma sonuçları mikroelektronik cihazlarda bu etkileşimin ısı dağılımı üzerinde büyük bir etkisi olduğunu gösteriyor.İlgili araştırma sonuçları Nature dergisinin 12 Ekim sayısında yayınlandı. İletişim "açık.
Deneyde araştırma ekibi, ultra ince bir silikon filmdeki elektronların ve fononların etkileşimini ölçmek için hassas şekilde zamanlanmış lazer darbeleri kullandı. Ölçüm sonuçları şunu gösterir: film olarak Artan elektron konsantrasyonu , Olacak Elektronlar tarafından daha fazla fonon saçılır ve bu da ısıyı dağıtmayı zorlaştırır.
Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'nden (MIT) mezun olan Dr. Hunlin Liao, bu makalenin ilk yazarıdır ve şunları söylemiştir: Bir bilgisayar çalışırken ısı üretilir. Bu ısının hızla dağıtılmasını (fononlar tarafından alınmasını) kesinlikle istiyorsunuz. Fononlar elektronlar tarafından dağılır ve ısı yayma etkileri daha da kötüleşir. Çipler küçüldükçe bu problem çözülmelidir. "
Ama her şeyin hem dezavantajları hem de avantajları vardır, aynı fenomen Termoelektrik enerji üretimine fayda sağlayacak . Termoelektrik malzemeler termal enerjiyi doğrudan elektrik enerjisine dönüştürebilir. Ne kadar çok fonon saçılırsa, o kadar az ısı kaybı olur. Termoelektrik cihazların verimliliğini ve performansını büyük ölçüde artıracak .
Termoelektrik malzemeler çok geniş bir uygulama alanına sahiptir , İçerir Isı Dedektörü Ve NASAnın uzay keşif ekipmanı için en son önerisi Nükleer pil .
Fononların elektronlar tarafından saçılması olgusu yeni bir keşif değil, uzun zamandır bilim adamları tarafından görmezden gelinmiştir.Yarıiletken teknolojisinin sürekli gelişmesiyle birlikte elektronların konsantrasyonu gittikçe artmış ve bu fenomen göz ardı edilemez hale gelmiştir.
Bilim adamları, elektron-fonon etkileşimini nasıl daha fazla manipüle edeceklerini düşünmelidir ki Bir yandan termoelektrik cihazın verimini arttırırken diğer yandan mikroelektronik ekipmanın ısınmasını engeller. .
Bu makalenin diğer yazarları, Liao Yunlin'in PhD süpervizörü ve MIT Makine Mühendisliği Bölümü dekanı Profesör Chen Gang dahil olmak üzere MIT'den.
Phonon ve elektronik tampon araba oyunu
Bir transistörde (silikon gibi yarı iletken malzeme) veya telde (bakır gibi iletken malzeme) olsun, elektronlar akım hareketinin ana ortamıdır. Direncin var olmasının ana nedeni, elektronlar aktığında barikatlar olacağıdır Isı enerjisi taşıyan fononlar elektronlarla çarpışır ve onları akım yolunun dışına çıkarır. .
Bilim adamları uzun süredir elektron-fonon etkileşimlerinin çeşitli etkilerini araştırıyorlar, ancak bu etkileşimin fononları nasıl etkilediğine çok fazla dikkat etmek yerine elektronlara odaklandılar.
Liao Yunlin, "Bilim adamları bu etkileşimin fononlar üzerindeki etkisini nadiren inceliyorlar, çünkü bu etkinin önemli olmadığını düşünüyorlar," dedi. "Ancak Newton'un üçüncü yasası bize her kuvvetin bir tepki kuvveti olduğunu söylüyor. Sadece ne olduğunu bilmiyoruz. Ancak o zaman tepki kuvveti önemli hale gelecektir. "
Saçılma, ısı dağılımının ikisini de elde etmek zordur
Liao Xunlin ve meslektaşlarının önceki hesaplamalarına göre, elektronların konsantrasyonu santimetre küp başına 1019'u aştığında, silikondaki elektron ve fononların etkileşimi (yarı iletken malzemelerde en yaygın kullanılan madde) fononlar üzerinde büyük bir saçılma etkisine sahip olacak. Elektron konsantrasyonu santimetreküp başına 1021'e ulaştığında, fononların saçılması nedeniyle malzemenin ısı yayma kapasitesi% 50 azalacaktır.
Liao Hulin, "Bu çok önemli bir etki, ancak birçok insanın bu konuda şüpheleri var" dedi.
Bunun temel nedeni, yüksek konsantrasyonlu elektronik malzemelerle yapılan önceki deneylerde, bilim adamlarının, ısı yayma kapasitesindeki düşüşün elektron-fonon etkileşiminden değil, malzeme kusurlarından kaynaklandığını varsaymalarıdır.
Bu kusurlar, insanların malzemeye doping yapması nedeniyle ortaya çıkar.Silikon örnek alırsak, fosfor ve bor, malzemenin elektron konsantrasyonunu artırmak için yaygın olarak doping atomları kullanılır.
Bu nedenle, Liao'nun teorisini doğrulamak için, elektron-fonon etkileşimlerinin ve kusurların ısı dağılımı üzerindeki etkilerini ayırmak gerekir. Spesifik uygulama yöntemi, Malzemedeki elektron konsantrasyonunu artırın, ancak herhangi bir kusur ortaya çıkaramaz. .
Araştırma ekibi, " üç Darbe Akusto-Optik Spektrum " (Üç darbeli fotoakustik spektroskopi) teknolojisi, silikon kristal filmdeki elektron konsantrasyonunu doğru bir şekilde artırmak ve malzemedeki fononlar üzerindeki herhangi bir etkiyi ölçmek için optik yöntem aracılığıyla.
Bu teknoloji, geleneksel "iki darbeli fotoakustik spektroskopinin" bir uzantısıdır (iki darbeli fotoakustik spektroskopi) Geleneksel yöntemde, bilim adamları malzeme üzerinde iki hassas zamanlamalı lazer üretmek için hassas kontrolü kullanırlar. İlk lazer ışını malzemede fonon darbeleri üretir ve ikinci ışın, fonon darbelerinin saçılmasını veya zayıflamasını ölçmek için kullanılır. .
Liao Xunlin tanıtıldı Üçüncü lazer Böylece Silikon malzemedeki elektron konsantrasyonunu herhangi bir kusur oluşturmadan doğru şekilde artırın . Üçüncü lazer piyasaya sürüldükten sonra, ölçüm sonuçları, fonon darbesinin bozulma süresinin önemli ölçüde kısaldığını gösterdi, bu da elektron konsantrasyonundaki artışın fononların saçılmasını artırdığını ve aktivitesini baskıladığını gösterdi.
Deneysel sonuçlar, üçüncü lazer ışınının eklenmesinin fonon darbesinin bozulma süresini kısaltacağını göstermektedir Lazerin yoğunluğu ne kadar yüksekse (elektronların konsantrasyonu ne kadar yüksekse), fonon darbesinin bozulma süresi o kadar kısadır.
Bu sonuç Liao Xunlin ekibini çok heyecanlandırdı çünkü önceki hesaplamalarına çok iyi uyuyor.
Liao Yunlin, "Artık etkinin gerçekten çok açık olduğunu doğrulayabiliriz ve bunu deneylerde doğruladık," dedi. "Bu, elektron-fonon etkileşiminin fononlar üzerindeki etkisini doğrudan tespit edebilen ilk deney."
İlginç bir şekilde, santimetre küp başına 1019 elektron konsantrasyonu, mevcut bazı transistörlerden daha düşüktür. Yeni keşfedilen fenomen, mevcut bazı mikroelektroniğin ana suçlularından biridir. .
Liao Yunlin, "Araştırmamıza göre, devrenin boyutu küçüldükçe, bu etki gittikçe daha önemli hale gelecektir. Bu etkiyi ciddiye almalı ve etkisini nasıl kullanacağımızı veya nasıl önleyeceğimizi incelemeliyiz."
Düzenleme: şiddetli soğuk
referans:
B. Liao, et al, Photo-excited şarj taşıyıcıları, oda sıcaklığında silikonda terahertz altı fonon modunu bastırır, Nature Communications 2016, doi: 10.1038 / ncomms13174.
