Revolutionäre Thermometrietechnik deckt nanoskalige Hot Spots in elektronischen Geräten auf

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BIS ZUM DRAHT:Rochester-Forscher demonstrierten ihre superhochauflösenden Thermometrietechniken an einer elektrischen Heizstruktur, die das Team zur Erzeugung scharfer Temperaturgradienten entworfen hatte. (Bild:University of Rochester/J. Adam Fenster)

Wenn elektronische Geräte wie Laptops oder Smartphones überhitzen, leiden sie grundsätzlich unter einem Wärmeübertragungsproblem im Nanomaßstab. Die Ursache dieses Problems zu ermitteln, kann wie der Versuch sein, die Nadel im Heuhaufen zu finden.

„Die Bausteine unserer modernen Elektronik sind Transistoren mit nanoskaligen Merkmalen. Um zu verstehen, welche Teile überhitzen, besteht der erste Schritt darin, eine detaillierte Temperaturkarte zu erstellen“, sagte Andrea Pickel, Assistenzprofessorin am Fachbereich Maschinenbau der University of Rochester und Wissenschaftlerin am Labor für Laserenergetik. „Aber dafür braucht man etwas mit nanoskaliger Auflösung.“

Bestehende optische Thermometrietechniken sind unpraktisch, da die erreichbare räumliche Auflösung grundsätzlich begrenzt ist. Also Pickel und ihr Doktorand in Materialwissenschaften. Die Studenten Ziyang Ye und Benjamin Harrington entwickelten einen neuen Ansatz, um diese Einschränkungen zu überwinden, indem sie die mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichneten optischen Fluoreszenzmikroskopietechniken mit hoher Auflösung nutzten, die in der biologischen Bildgebung eingesetzt werden. In einem neuen Science Advances In der Studie skizzieren die Forscher ihr Verfahren zur Kartierung der Wärmeübertragung mithilfe lumineszierender Nanopartikel.

Durch das Aufbringen hochdotierter aufwärtskonvertierender Nanopartikel auf die Oberfläche eines Geräts konnten die Forscher aus einer Entfernung von bis zu 10 Millimetern eine superhochauflösende Thermometrie im Nanomaßstab erreichen. Laut Pickel ist dieser Abstand in der Welt der hochauflösenden Mikroskopie extrem weit und die biologischen Bildgebungstechniken, die sie als Inspiration verwendeten, arbeiten typischerweise in weniger als einem Millimeter Entfernung.

Pickel sagt, dass die biologischen Bildgebungstechniken zwar große Inspiration bieten, ihre Anwendung auf die Elektronik jedoch mit erheblichen Hürden verbunden ist, da sie so unterschiedliche Materialien umfassen. „Unsere Anforderungen unterscheiden sich stark von denen der Biologen, da sie sich mit Dingen wie Zellen und Materialien auf Wasserbasis befassen“, sagte sie. „Oft befindet sich zwischen der Objektivlinse und der Probe eine Flüssigkeit wie Wasser oder Öl. Das ist großartig für die biologische Bildgebung, aber wenn man mit einem elektronischen Gerät arbeitet, ist das das Letzte, was man will.“

Das Papier demonstriert die Technik anhand einer elektrischen Heizstruktur, die das Team entwickelt hat, um scharfe Temperaturgradienten zu erzeugen. Pickel sagt jedoch, dass ihre Methode von Herstellern zur Verbesserung einer breiten Palette elektrischer Komponenten eingesetzt werden kann. Um den Prozess weiter zu verbessern, hofft das Team, die verwendete Laserleistung zu senken und die Methoden zum Aufbringen von Nanopartikelschichten auf die Geräte zu verfeinern.

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