Revolutionäre Thermometrie-Technik enthüllt Nanoscale-Hotspots in Elektronik

Electronics & Sensors INSIDER

DOWN TO THE WIRE: Rochester-Forscher demonstrierten ihre super-hochauflösenden Thermometrie-Techniken an einer elektrischen Heizstruktur, die das Team entwarf, um scharfe Temperaturgradienten zu erzeugen. (Bild: University of Rochester/J. Adam Fenster)

Das Problem: Überhitzung auf Nanoskala

Wenn elektronische Geräte wie Laptops oder Smartphones überhitzen, leiden sie grundlegend unter einem Nanoskala-Wärmeübertragungsproblem. Die Quelle dieses Problems zu lokalisieren, ist wie die Suche nach der Nadel im Heuhaufen.

„Die Bausteine unserer modernen Elektronik sind Transistoren mit Nanoskala-Merkmalen. Um zu verstehen, welche Teile überhitzen, ist der erste Schritt, eine detaillierte Temperaturkarte zu erhalten“, sagte Andrea Pickel, Assistenzprofessorin am Department of Mechanical Engineering der University of Rochester und Wissenschaftlerin am Laboratory for Laser Energetics. „Aber man braucht etwas mit Nanoskala-Auflösung, um das zu tun.“

Bestehende optische Thermometrie an Grenzen gestoßen

Bestehende optische Thermometrie-Techniken sind unpraktisch, weil sie fundamentale Grenzen bei der räumlichen Auflösung haben, die sie erreichen können. Deshalb entwickelten Pickel und ihre Materialwissenschafts-Ph.D.-Studenten Ziyang Ye und Benjamin Harrington einen neuen Ansatz, um diese Limitationen zu überwinden, indem sie Nobelpreis-gekrönte optische Super-Resolutions-Fluoreszenzmikroskopie-Techniken nutzten, die in der biologischen Bildgebung verwendet werden. In einer neuen Science Advances-Studie skizzieren die Forscher ihren Prozess zur Kartierung von Wärmeübertragung mittels lumineszierender Nanopartikel.

Durchbruch: Super-hochauflösende Thermometrie aus 10 mm Entfernung

Durch Auftragen hochdotierter Upconverting-Nanopartikel auf die Oberfläche eines Geräts erreichten die Forscher super-hochauflösende Thermometrie auf Nanoskala-Ebene aus bis zu 10 Millimetern Entfernung. Laut Pickel ist diese Distanz in der Welt der Super-Resolutions-Mikroskopie extrem groß – die biologischen Bildgebungstechniken, die sie als Inspiration nutzten, operieren typischerweise weniger als einen Millimeter entfernt.

Pickel sagt, dass die biologischen Bildgebungstechniken zwar große Inspiration bieten, ihre Anwendung auf Elektronik jedoch signifikante Hürden hatte, da sie so unterschiedliche Materialien involvieren. „Unsere Anforderungen sind sehr unterschiedlich von Biologen, weil sie sich Dinge wie Zellen und wasserbasierte Materialien ansehen“, sagte sie. „Oft haben sie eine Flüssigkeit wie Wasser oder Öl zwischen ihrem Objektiv und ihrer Probe. Das ist großartig für biologische Bildgebung, aber wenn Sie mit einem elektronischen Gerät arbeiten, ist das das Letzte, was Sie wollen.“

Anwendung und Ausblick

Das Paper demonstriert die Technik an einer elektrischen Heizstruktur, die das Team entwarf, um scharfe Temperaturgradienten zu erzeugen, aber Pickel sagt, ihre Methode kann von Herstellern genutzt werden, um eine breite Palette elektrischer Komponenten zu verbessern. Um den Prozess weiter zu verbessern, hofft das Team, die verwendete Laserleistung zu senken und die Methoden zum Auftragen von Nanopartikelschichten auf die Geräte zu verfeinern.

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