Le groupe de recherche de Gao Peng à l'International Center for Quantum Materials, School of Physics de l'Université de Pékin, a développé une méthode révolutionnaire pour visualiser le transport des phonons interfaciaux avec résolution des sous-nanomètres. Tirant la diffusion inélastique des électrons rapides en microscopie électronique, l'équipe mesurait directement les champs de température et la résistance thermique à travers les interfaces, dévoilant le mécanisme microscopique du transport de chaleur médié par phonons à l'échelle nanométrique.
L'étude est publiée dans Nature Sous le titre « La dynamique de transport des phonons sondage à travers une interface par microscopie électronique ».
Les phonons sont au cœur de la conduction thermique, du transport électrique et des interactions légères. Dans les dispositifs semi-conducteurs modernes, les décalages phonon aux interfaces de matériau créent une résistance thermique significative, limitant les performances. Pourtant, les méthodes existantes n'ont pas la résolution spatiale nécessaire pour les technologies de moins de 10 nm d'aujourd'hui.
Cette étude relève un défi de longue date dans la thermophysique nanométrique: mesurer les changements de température interfaciale et la résistance à la précision atomique. Il fournit un nouvel outil puissant pour caractériser le transport de chaleur dans les interfaces, les défauts et les nanostructures intégrés, qui sont essentiels pour les semi-conducteurs de nouvelle génération.
Dans cette étude pionnière, l'équipe a développé une technique de visualisation phonon utilisant la microscopie électronique qui permet la cartographie de la température et de la résistance thermique avec une résolution spatiale sous-nanométrique sans précédent. À l'aide d'un dispositif de transport de chaleur in situ sur mesure, ils ont stabilisé le flux de chaleur à travers une hétérojonction de nitrure / silicium en aluminium (ALN / SIC), entraînant la cartographie de température d'interface la plus précise rapportée à ce jour.
Sous un gradient de température de 180 K / μm, l'équipe de Gao Peng a observé un saut de température net de 10 à 20 K se produisant dans seulement 2 nanomètres à l'interface ALN / SIC. En revanche, une baisse de température similaire de l'ALN ou du SIC en vrac s'étendrait à des dizaines à des centaines de nanomètres, indiquant que la résistance thermique interfaciale est environ 30 à 70 fois supérieure à celle du matériau en vrac, mettant en évidence le rôle critique des interfaces dans le transport de chaleur à l'échelle à l'échelle.
Les chercheurs ont également identifié les états phonon sans quand-surquilibrium dans une région de ~ 3 nm près de l'interface, déviant de la distribution de Bose-Einstein. En comparant les distributions de mode phonon sous le flux de chaleur avant et inversé, ils ont révélé des processus de transport inélastique dynamiques, fournissant des informations clés pour la conception de l'interface des puces et la gestion thermique.
Stuart Thomas, rédacteur en chef de Naturea commenté: « La mesure de la température à l'échelle nanométrique est déjà une tâche extrêmement difficile. Cet article va au-delà de cela et nous donne un aperçu de la façon dont la chaleur traverse les interfaces à ces très petites échelles, et les interactions phonons qui médient de tels processus. Les matériaux étudiés sont également importants. »
