AUMENTO DEL TRANSPORTE DE CALOR MEDIANTE ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS SUPERFICIALES

Como es conocido, la conductividad térmica de una película delgada generalmente disminuye a medida que su espesor se reduce a través de valores nanométricos (Liu & M. Asheghi, 2006); esto genera el sobrecalentamiento y la reducción de la vida útil de procesadores y otros componentes electrónicos (Pop, 2010). Sin embargo, dado que las películas más delgadas tienen mayores cocientes área/volumen, los predominantes efectos superficiales en nanopelículas permiten el transporte de energía térmica no solo dentro de sus volúmenes, sino también a lo largo de sus interfaces. En nanopelículas polares, este transporte superficial es impulsado por fonones-polaritones de superficie, los cuales son ondas electromagnéticas generadas por el acoplamiento de fonones y fotones a lo largo de sus superficies. Modelos teóricos predicen que estos polaritones pueden contribuir significativamente a la conductividad térmica en el plano de películas de SiO con espesores menores a 200 nm (Chen et al., 2005; Ordonez- 2 Miranda et al., 2013). En el presente trabajo demostramos experimentalmente este aumento de la conductividad térmica, mediante las técnicas 3 y rejilla transitoria. Los resultados medidos a través de estas dos técnicas son consistentes y muestran que la conductividad térmica en el plano de una película de SiO de 20 nm de espesor a 2 temperatura ambiente es el doble de su contraparte debida a fonones solamente. Mediciones adicionales de la difusividad térmica de películas de SiO revelan que esta propiedad térmica también aumenta para películas más 2 delgadas, de tal manera que la relación (conductividad térmica)/(difusividad térmica) = capacidad calorífica volumétrica se mantiene independiente del espesor de la película. Los resultados experimentales obtenidos aquí abren una nueva vía para desarrollar nanomateriales térmicamente conductores útiles para una refrigeración electrónica eficiente

Two-Dimensional Phonon Polariton Heat Transport

International audienceAs is well-known, the phonon and electron thermal conductivity of a thin film generally decreases as its thickness scales down to nanoscales due to size effects, which have dramatic engineering effects, such as overheating, low reliability, and reduced lifetime of processors and other electronic components. However, given that thinner films have higher surface-to-volume ratios, the predominant surface effects in these nanomaterials enable the transport of thermal energy not only inside their volumes but also along their interfaces. In polar nanofilms, this interfacial transport is driven by surface phonon polaritons, which are electromagnetic waves generated at mid-infrared frequencies mainly by the phonon–photon coupling along their surfaces. Theory predicts that these polaritons can enhance the in-plane thermal conductivity of suspended silica films to values higher than the corresponding bulk one, as their thicknesses decrease through values smaller than 200 nm. In this work, we experimentally demonstrate this thermal conductivity enhancement. The results show that the in-plane thermal conductivity of a 20 nm thick silica film at room temperature is nearly twice its lattice vibration counterpart. Additional thermal diffusivity measurements reveal that the diffusivity of a silica film also increases as its thickness decreases, such that the ratio of thermal conductivity/thermal diffusivity (volumetric heat capacity) remains nearly independent of the film thickness. The experimental results obtained here will enable one to build on recent interesting theoretical predictions, highlight the existence of a new heat channel at the nanoscale, and provide a new avenue to engineer thermally conductive nanomaterials for efficient thermal management