Devido ao progresso contínuo na miniaturização de dispositivos microeletrônicos e fotônicos de silício, o resfriamento de estruturas de dispositivos é cada vez mais desafiador. O transporte convencional de calor em materiais a granel é dominado por fônons acústicos, que são quasipartículas que representam as vibrações da rede do material, semelhante à forma como os fótons representam as ondas de luz. Infelizmente, esse tipo de resfriamento está atingindo seu limite nessas estruturas minúsculas.

Contudo, efeitos de superfície tornam-se dominantes à medida que os materiais em dispositivos nanoestruturados se tornam mais finos, o que significa que as ondas de superfície podem fornecer a solução de transporte térmico necessária. Fônon-polaritons de superfície (SPhPs) - ondas híbridas compostas de ondas eletromagnéticas de superfície e fônons ópticos que se propagam ao longo das superfícies de membranas dielétricas - têm mostrado uma promessa particular, e uma equipe liderada por pesquisadores do Instituto de Ciência Industrial, a Universidade de Tóquio já demonstrou e verificou os aprimoramentos de condutividade térmica fornecidos por essas ondas.

"Geramos SPhPs em membranas de nitreto de silício com várias espessuras e medimos as condutividades térmicas dessas membranas em amplas faixas de temperatura, "diz o autor principal do estudo Yunhui Wu." Isso nos permitiu estabelecer as contribuições específicas dos SPhPs para a melhoria da condutividade térmica observada nas membranas mais finas. "

A equipe observou que a condutividade térmica das membranas com espessuras de 50 nm ou menos na verdade dobrou quando a temperatura aumentou de 300 K para 800 K (aproximadamente 27 ° C para 527 ° C). Em contraste, a condutividade de uma membrana de 200 nm de espessura diminuiu na mesma faixa de temperatura porque os fônons acústicos ainda dominavam naquela espessura.

"As medições mostraram que a função dielétrica do nitreto de silício não mudou muito ao longo da faixa de temperatura experimental, o que significa que as melhorias térmicas observadas podem ser atribuídas à ação das SPhPs, "explica Masahiro Nomura, do Instituto de Ciência Industrial, autor sênior do estudo. "O comprimento de propagação de SPhP ao longo da interface da membrana aumenta quando a espessura da membrana diminui, o que permite que os SPhPs conduzam muito mais energia térmica do que os fônons acústicos ao usar essas membranas muito finas. "

O novo canal de resfriamento fornecido pelos SPhPs pode, portanto, compensar a condutividade térmica reduzida dos fônons que ocorre em materiais nanoestruturados. Espera-se, portanto, que os SPhPs encontrem aplicações no gerenciamento térmico de dispositivos microeletrônicos e fotônicos baseados em silício.