p Um avanço de pesquisa da Escola de Engenharia da Universidade da Virgínia demonstra um novo mecanismo para controlar a temperatura e estender a vida útil de dispositivos eletrônicos e fotônicos, como sensores, telefones inteligentes e transistores. p A descoberta, dos experimentos e simulações da UVA no grupo de pesquisa de engenharia térmica, desafia uma suposição fundamental sobre a transferência de calor no projeto de semicondutores. Em dispositivos, contatos elétricos se formam na junção de um metal e um material semicondutor. Tradicionalmente, materiais e engenheiros de dispositivos presumiram que a energia do elétron se move através desta junção através de um processo chamado injeção de carga, disse o líder do grupo, Patrick Hopkins, professor de engenharia mecânica e aeroespacial com nomeações de cortesia em ciência de materiais e engenharia e física.

p A injeção de carga pressupõe que com o fluxo da carga elétrica, elétrons saltam fisicamente do metal para o semicondutor, levando o excesso de calor com eles. Isso muda a composição elétrica e as propriedades dos materiais isolantes ou semicondutores. O resfriamento que acompanha a injeção de carga pode degradar significativamente a eficiência e o desempenho do dispositivo.

p O grupo de Hopkins descobriu um novo caminho de transferência de calor que abrange os benefícios do resfriamento associado à injeção de carga sem nenhuma das desvantagens dos elétrons se movendo fisicamente para o dispositivo semicondutor. Eles chamam esse mecanismo de injeção térmica balística.

p Conforme descrito pelo assessor de Hopkins, John Tomko, um Ph.D. estudante de ciência e engenharia de materiais:"O elétron chega à ponte entre seu metal e o semicondutor, vê outro elétron através da ponte e interage com ele, transferindo seu calor, mas permanecendo em seu próprio lado da ponte. O material semicondutor absorve muito calor, mas o número de elétrons permanece constante. "

p "A capacidade de resfriar os contatos elétricos mantendo as densidades de carga constantes oferece uma nova direção no resfriamento eletrônico sem afetar o desempenho elétrico e óptico do dispositivo, "Hopkins disse." A capacidade de otimizar de forma independente a óptica, o comportamento elétrico e térmico de materiais e dispositivos melhora o desempenho e a longevidade do dispositivo. "

p A experiência de Tomko em metrologia a laser - medindo transferência de energia em nanoescala - revelou a injeção térmica balística como um novo caminho para o autorresfriamento do dispositivo. Técnica de medição de Tomko, mais especificamente espectroscopia de laser óptico, é uma maneira inteiramente nova de medir a transferência de calor através da interface metal-semicondutor.

p "Os métodos anteriores de medição e observação não podiam decompor o mecanismo de transferência de calor separadamente da injeção de carga, "Tomko disse.

p Para seus experimentos, A equipe de pesquisa de Hopkins selecionou óxido de cádmio, um óxido condutor de eletricidade transparente que parece vidro. O óxido de cádmio foi uma escolha pragmática porque suas propriedades ópticas exclusivas são adequadas ao método de medição de espectroscopia a laser de Tomko.

p O óxido de cádmio absorve perfeitamente os fótons do infravermelho médio na forma de plasmons, quasipartículas compostas de elétrons sincronizados que são uma forma incrivelmente eficiente de acoplar luz em um material. Tomko usou injeção térmica balística para mover o comprimento de onda da luz em que ocorre a absorção perfeita, essencialmente ajustando as propriedades ópticas do óxido de cádmio por meio de calor injetado.

p "Nossas observações de sintonia nos permitem dizer definitivamente que a transferência de calor acontece sem troca de elétrons, "Tomko disse.

p Tomko sondou os plasmons para extrair informações sobre o número de elétrons livres em cada lado da ponte entre o metal e o semicondutor. Desta maneira, Tomko capturou a medição do posicionamento dos elétrons antes e depois do metal ser aquecido e resfriado.

p A descoberta da equipe também oferece uma promessa para as tecnologias de sensoriamento infravermelho. As observações de Tomko revelam que a sintonia óptica dura enquanto o óxido de cádmio permanece quente, tendo em mente que o tempo é relativo - um trilionésimo em vez de um quatrilionésimo de segundo.

p A injeção térmica balística pode controlar a absorção de plasmon e, portanto, a resposta óptica de materiais não metálicos. Esse controle permite a absorção de plasmon altamente eficiente no comprimento do infravermelho médio. One benefit of this development is that night vision devices can be made more responsive to a sudden, intense change in heat that would otherwise leave the device temporarily blind.

p "The realization of this ballistic thermal injection process across metal/cadmium oxide interfaces for ultrafast plasmonic applications opens the door for us to use this process for efficient cooling of other device-relevant material interfaces, "Disse Hopkins.

p Tomko first-authored a paper documenting these findings. Nature Nanotechnology published the team's paper, Long-lived Modulation of Plasmonic Absorption by Ballistic Thermal Injection, on November 9; the paper was also promoted in the journal editors' News and Views. o Nature Nanotechnology paper adds to a long list of publications for Tomko, who has co-authored more than 30 papers and can now claim first-authorship of two Nature Nanotechnology papers as a graduate student.

p The research paper culminates a two-year, collaborative effort funded by a U.S. Army Research Office Multi-University Research Initiative. Jon-Paul Maria, professor of materials science and engineering at Penn State University, is the principal investigator for the MURI grant, which includes the University of Southern California as well as UVA. This MURI team also collaborated with Josh Caldwell, associate professor of mechanical engineering and electrical engineering at Vanderbilt University.

p The team's breakthrough relied on Penn State's expertise in making the cadmium oxide samples, Vanderbilt's expertise in optical modeling, the University of Southern California's computational modeling, and UVA's expertise in energy transport, charge flow, and photonic interactions with plasmons at heterogeneous interfaces, including the development of a novel ultrafast-pump-probe laser experiment to monitor this novel ballistic thermal injection process.