p Os chips de computador atuais empacotam bilhões de minúsculos transistores em uma placa de silício com a largura de uma unha. Cada transistor, apenas dezenas de nanômetros de largura, atua como um interruptor que, em conjunto com outros, executa os cálculos de um computador. À medida que florestas densas de transistores sinalizam para frente e para trás, eles emitem calor, o que pode fritar os componentes eletrônicos, se um chip ficar muito quente. p Os fabricantes comumente aplicam uma teoria de difusão clássica para medir o aumento de temperatura de um transistor em um chip de computador. Mas agora um experimento feito por engenheiros do MIT sugere que essa teoria comum não se sustenta em escalas de comprimento extremamente pequenas. Os resultados do grupo indicam que a teoria da difusão subestima o aumento da temperatura das fontes de calor em nanoescala, como os transistores de um chip de computador. Esse erro de cálculo pode afetar a confiabilidade e o desempenho de chips e outros dispositivos microeletrônicos.

p “Verificamos que quando a fonte de calor é muito pequena, você não pode usar a teoria da difusão para calcular o aumento da temperatura de um dispositivo. O aumento da temperatura é maior do que a previsão de difusão, e em microeletrônica, você não quer que isso aconteça, "diz o professor Gang Chen, chefe do Departamento de Engenharia Mecânica do MIT. "Portanto, isso pode mudar a maneira como as pessoas pensam sobre como modelar problemas térmicos em microeletrônica."

p O grupo, incluindo o estudante de graduação Lingping Zeng e a professora do Instituto Mildred Dresselhaus do MIT, Yongjie Hu, da Universidade da Califórnia em Los Angeles, e Austin Minnich da Caltech, publicou seus resultados esta semana na revista Nature Nanotechnology .

p Phonon significa distribuição de caminho livre

p Chen e seus colegas chegaram à conclusão depois de conceber um experimento para medir a distribuição do "caminho livre médio" dos portadores de calor em um material. Em semicondutores e dielétricos, o calor normalmente flui na forma de fônons - partículas em forma de onda que transportam calor através de um material e sofrem várias dispersões durante sua propagação. O caminho livre médio de um fônon é a distância que um fônon pode carregar calor antes de colidir com outra partícula; quanto mais longo o caminho livre médio de um fônon, melhor ele é capaz de carregar, ou conduta, aquecer.

p Como o caminho livre médio pode variar de fônon para fônon em um determinado material - de vários nanômetros a mícrons - o material exibe uma distribuição média de caminho livre, ou intervalo. Chen, o Professor Carl Richard Soderberg em Engenharia de Energia no MIT, raciocinou que medir essa distribuição forneceria uma imagem mais detalhada da capacidade de transporte de calor de um material, permitindo que os pesquisadores projetem materiais, por exemplo, usando nanoestruturas para limitar a distância que os fônons viajam.

p O grupo procurou estabelecer uma estrutura e uma ferramenta para medir a distribuição média do caminho livre em uma série de materiais tecnologicamente interessantes. Existem dois regimes de transporte térmico:regime difusivo e regime quase-calístico. O primeiro retorna a condutividade térmica em massa, que mascara a importante distribuição de caminho livre médio. Para estudar os caminhos livres dos fonons, os pesquisadores perceberam que precisariam de uma pequena fonte de calor em comparação com o caminho livre médio do fônon para acessar o regime quase-calístico, como fontes de calor maiores, essencialmente mascarariam os efeitos individuais dos fônons.

p Criar fontes de calor em nanoescala foi um desafio significativo:os lasers só podem ser focados em um ponto do tamanho do comprimento de onda da luz, cerca de um mícron - mais de 10 vezes o comprimento do caminho livre médio em alguns fônons. Para concentrar a energia da luz laser em uma área ainda mais fina, a equipe modelou pontos de alumínio de vários tamanhos, de dezenas de micrômetros até 30 nanômetros, através da superfície do silício, liga de silício e germânio, arsenieto de gálio, nitreto de gálio, e safira. Cada ponto absorve e concentra o calor de um laser, que então flui através do material subjacente como fônons.

p Em seus experimentos, Chen e seus colegas usaram microfabricação para variar o tamanho dos pontos de alumínio, e mediu a decadência de um laser pulsado refletido do material - uma medida indireta da propagação de calor no material. Eles descobriram que, à medida que o tamanho da fonte de calor fica menor, o aumento da temperatura desvia-se da teoria da difusão.

p Eles interpretam isso como pontos de metal, que são fontes de calor, tornar-se menor, fônons deixando os pontos tendem a se tornar "balísticos, "disparando sobre o material subjacente sem espalhar. Nesses casos, tais fônons não contribuem muito para a condutividade térmica de um material. Mas para fontes de calor muito maiores agindo no mesmo material, fônons tendem a colidir com outros fônons e se espalhar com mais freqüência. Nesses casos, a teoria da difusão atualmente em uso torna-se válida.

p Uma foto detalhada de transporte

p Para cada material, os pesquisadores traçaram uma distribuição de caminhos livres médios, reconstruída a partir da condutividade térmica dependente do tamanho do aquecedor de um material. Geral, eles observaram a nova imagem antecipada da condução de calor:enquanto o comum, a teoria de difusão clássica é aplicável a grandes fontes de calor, falha para pequenas fontes de calor. Variando o tamanho das fontes de calor, Chen e seus colegas podem mapear a distância que os fônons viajam entre as colisões, e o quanto eles contribuem para a condução de calor.

p Zeng diz que a configuração experimental do grupo pode ser usada para entender melhor, e potencialmente sintonizar, a condutividade térmica de um material. Por exemplo, se um engenheiro deseja um material com certas propriedades térmicas, a distribuição de caminho livre médio poderia servir como um projeto para projetar "centros de dispersão" específicos dentro do material - locais que provocam colisões de fônons, por sua vez, espalhando propagação de calor, levando à redução da capacidade de transporte de calor. Embora tais efeitos não sejam desejáveis ​​para manter um chip de computador resfriado, eles são adequados em dispositivos termoelétricos, que convertem calor em eletricidade. Para tais aplicações, materiais que são eletricamente condutores, mas termicamente isolantes são desejados.

p "O mais importante é, temos uma ferramenta de espectroscopia para medir a distribuição média do caminho livre, e que a distribuição é importante para muitas aplicações tecnológicas, "Zeng diz.