As considerações térmicas estão se tornando rapidamente uma das restrições de projeto mais sérias na microeletrônica, especialmente em comprimentos de escala submicron. Um estudo realizado por pesquisadores da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign mostrou que modelos térmicos padrão levarão à resposta errada em um problema de transferência de calor tridimensional se as dimensões do elemento de aquecimento forem da ordem de um mícron ou menores .

"À medida que os materiais encolhem, as regras que regem a mudança de transferência de calor também, "explicou David Cahill, professor de ciência de materiais e engenharia em Illinois. "Nossa compreensão atual do transporte térmico em nanoescala não é matizada o suficiente para prever quantitativamente quando a teoria padrão não funcionará. Isso pode impactar o projeto de dispositivos RF de alta potência que são amplamente usados ​​na indústria de telecomunicações, por exemplo, Infraestrutura wireless 4G. O espaçamento do transistor em dispositivos de RF está se aproximando rapidamente de escalas de comprimento onde a teoria baseada na difusão de calor não será válida, e os modelos de engenharia usados ​​atualmente não prevêem com precisão a temperatura operacional do dispositivo. A temperatura é um fator chave para prever o tempo médio de falha. "

"Nossa pesquisa se concentra em compreender a física do transporte térmico em escalas de comprimento submicrônicas na presença de uma interface, "explicou Richard Wilson, autor principal do estudo publicado em Nature Communications . "Nosso estudo se concentrou em uma variedade de cristais que controlaram as diferenças nas propriedades de transporte térmico, como Si, Si dopado, e ligas de SiGe, "Wilson disse." Nós revestimos esses cristais com uma fina película de metal, aqueceu a superfície com um feixe de laser, e então registrou a evolução da temperatura da amostra.

"Em escalas de comprimento mais curtas do que os percursos médios livres do fônon do cristal, o calor é transportado balisticamente, não difusivamente. As interfaces entre os materiais complicam ainda mais o problema de transferência de calor, adicionando resistência térmica adicional. "

Os pesquisadores descobriram que quando o raio do feixe de laser usado para aquecer os cristais revestidos de metal estava acima de dez mícrons, as previsões feitas assumindo que o calor é transportado difusivamente corresponderam às observações experimentais. Contudo, quando o raio se aproximou de um mícron, a teoria difusiva superestimou a quantidade de energia transportada da superfície aquecida.

"Descobrimos diferenças fundamentais em como o calor é transportado em distâncias curtas e longas. Teoria de Fourier, que assume que o calor é transportado por difusão, prevê que um cristal cúbico como o silício transportará calor igualmente bem em todas as direções. Demonstramos que em escalas de comprimento curtas o calor não é transportado igualmente bem em todas as direções. Ao medir a temperatura da superfície da amostra em função da distância do centro da região aquecida, fomos capazes de determinar a distância que o calor viajava paralelamente à superfície, e deduzir isso, quando as dimensões do aquecedor são pequenas, significativamente menos calor é transportado paralelamente à superfície do que a teoria de Fourier prevê, "Wilson afirmou.

Wilson e Cahill também estudaram o efeito das interfaces no transporte térmico em nanoescala.

"É sabido há 75 anos que a presença de um limite adiciona uma resistência térmica ao problema de transferência de calor, mas sempre foi assumido que essa resistência de contorno estava localizada na interface e independente das propriedades de transporte térmico do material subjacente, "Cahill acrescentou." Nossos experimentos mostram que essas suposições geralmente não são válidas. Em particular para cristais com defeitos, a resistência limite é distribuída e fortemente dependente da concentração do defeito. "

Wilson e Cahill também forneceram uma descrição teórica de seus resultados que podem ser usados ​​por engenheiros de dispositivos para gerenciar melhor o calor e a temperatura em dispositivos em nanoescala.