Revolutionaire thermometrietechniek onthult hotspots op nanoschaal in elektronische apparaten

Elektronica en sensoren INSIDER

TOT DE DRAAD:Onderzoekers uit Rochester demonstreerden hun thermometrietechnieken met superhoge resolutie op een elektrische verwarmingsstructuur die het team had ontworpen om scherpe temperatuurgradiënten te produceren. (Afbeelding:Universiteit van Rochester/J. Adam Fenster)

Wanneer elektronische apparaten zoals laptops of smartphones oververhit raken, lijden ze fundamenteel aan een probleem van warmteoverdracht op nanoschaal. Het achterhalen van de oorzaak van dat probleem kan hetzelfde zijn als het zoeken naar een speld in een hooiberg.

“De bouwstenen van onze moderne elektronica zijn transistors met kenmerken op nanoschaal, dus om te begrijpen welke onderdelen oververhit raken, is de eerste stap het verkrijgen van een gedetailleerde temperatuurkaart”, zegt Andrea Pickel, assistent-professor aan de afdeling Werktuigbouwkunde van de Universiteit van Rochester en wetenschapper bij het Laboratorium voor Laser-energetica. “Maar daarvoor heb je iets nodig met een resolutie op nanoschaal.”

Bestaande optische thermometrietechnieken zijn onpraktisch omdat ze fundamentele beperkingen hebben aan de ruimtelijke resolutie die ze kunnen bereiken. Dus Pickel en haar materiaalkunde Ph.D. studenten Ziyang Ye en Benjamin Harrington ontwikkelden een nieuwe aanpak om deze beperkingen te overwinnen door gebruik te maken van de met de Nobelprijs voor de Scheikunde bekroonde optische fluorescentiemicroscopietechnieken met superresolutie die worden gebruikt in biologische beeldvorming. In een nieuwe Wetenschappelijke vooruitgang studie schetsen de onderzoekers hun proces voor het in kaart brengen van warmteoverdracht met behulp van luminescerende nanodeeltjes.

Door hooggedoteerde, opconverterende nanodeeltjes op het oppervlak van een apparaat aan te brengen, konden de onderzoekers thermometrie met superhoge resolutie bereiken op nanoschaalniveau tot op 10 millimeter afstand. Volgens Pickel is die afstand extreem groot in de wereld van superresolutiemicroscopie en werken de biologische beeldvormingstechnieken die ze voor inspiratie gebruikten doorgaans op minder dan een millimeter afstand.

Pickel zegt dat hoewel de biologische beeldvormingstechnieken grote inspiratie bieden, de toepassing ervan op elektronica aanzienlijke hindernissen opleverde omdat er zulke verschillende materialen bij betrokken zijn. “Onze eisen zijn heel anders dan die van biologen, omdat ze kijken naar zaken als cellen en materialen op waterbasis”, zei ze. "Vaak hebben ze een vloeistof zoals water of een olie tussen hun objectieflens en hun monster. Dat is geweldig voor biologische beeldvorming, maar als je met een elektronisch apparaat werkt, is dat het laatste wat je wilt."

Het artikel demonstreert de techniek met behulp van een elektrische verwarmingsstructuur die het team heeft ontworpen om scherpe temperatuurgradiënten te produceren, maar Pickel zegt dat hun methode door fabrikanten kan worden gebruikt om een breed scala aan elektrische componenten te verbeteren. Om het proces verder te verbeteren hoopt het team het gebruikte laservermogen te verlagen en de methoden te verfijnen voor het aanbrengen van lagen nanodeeltjes op de apparaten.

Bron