나노기술 및 정책 정보

• 목록

버지니아 대학교(University of Virginia School of Engineering and Applied Science) 연구팀이 온도를 제어하고 센서, 스마트 폰 및 트랜지스터와 같은 전자 및 포토닉 장치의 수명을 연장하는 혁신적인 메커니즘을 새롭게 제시하였음. 실험 및 시뮬레이션에서 발견한 것은 반도체 설계에서 열전달에 대한 근본적인 가정에 도전함. 장치에서 전기 접점은 금속과 반도체 재료의 접합부에서 형성됨. 전통적으로 재료 및 장치 엔지니어들은 전하 주입이라는 프로세스를 통해 전자 에너지가 이 접합부를 가로 질러 이동한다고 가정했음. 전하 주입은 전하의 흐름에 따라 전자가 물리적으로 금속에서 반도체로 이동하여 과도한 열을 흡수한다고 가정함. 이것은 절연 또는 반도체 재료의 전기적 구성과 특성을 변경함. 전하 주입과 함께 진행되는 냉각은 장치 효율성과 성능을 크게 저하시킬 수 있음. 연구팀은 반도체 장치로 물리적인 이동에서 전자에 어떠한 저해도 없이 전하 주입과 관련된 냉각의 이점을 포괄하는 새로운 열전달 경로를 발견했음. 그들은 이 메커니즘을 탄도 열주입이라고 부름. 즉, 전자가 금속과 반도체 사이의 다리에 도달하여 다리를 가로 지르는 다른 전자와 상호 작용하여 열은 전달하지만 자신은 다리를 건너지 않고 원래의 측면에 머물러 있음. 이럴 경우 반도체 물질은 많은 열을 흡수하지만 전자의 수는 일정하게 유지됨. 전하 밀도를 일정하게 유지하면서 전기 접점을 냉각하는 능력은 장치의 전기적 및 광학적 성능에 영향을 주지 않으면서 전자 냉각을 할 수 있는 새로운 방향을 제시함. 재료와 장치의 광학적, 전기적 및 열적 거동을 독립적으로 최적화하는 능력은 장치 성능과 수명을 향상시킬 수 있음.

레이저 계측에 대한 Tomko의 전문 지식(나노 스케일에서 에너지 전달 측정)은 탄도 열주입을 장치 자체 냉각을 위한 새로운 경로로 밝혀냈음. Tomko의 측정 기술, 특히 광학 레이저 분광법은 금속-반도체 인터페이스를 통한 열전달을 측정하는 완전히 새로운 방법임. 이전의 측정 및 관찰 방법은 전하 주입과 별도로 열전달 메커니즘을 분해할 수 없었음.

연구팀은 유리처럼 보이는 투명한 전기 전도성 산화물인 카드뮴 산화물을 선택했음. 카드뮴 산화물은 고유한 광학 특성이 Tomko의 레이저 분광기 측정 방법에 매우 적합하기 때문에 실용적인 선택이었음. 카드뮴 산화물은 빛을 물질에 결합하는 매우 효율적인 방법으로 알려진 동기화된 전자로 구성된 준입자인 플라즈몬 형태로 중적외선 광자를 완벽하게 흡수함. Tomko는 탄도 열주입을 사용하여 완벽한 흡수가 발생하는 빛의 파장을 이동시켜 본질적으로 주입된 열을 통해 카드뮴 산화물의 광학적 특성을 조정했음. 튜닝에 대한 연구팀의 관찰을 통해 열전달이 전자 교환 없이 발생한다는 것을 밝혔음. Tomko는 플라즈몬을 조사하여 금속과 반도체 사이의 다리 양쪽에 있는 자유 전자의 수에 대한 정보를 추출했음. 이러한 방식으로 Tomko는 금속이 가열되고 냉각되기 전과 후의 전자 배치 측정치를 캡처했음. 탄도 열주입은 플라즈몬 흡수 및 비금속 재료의 광학적 반응을 제어할 수 있음. 이러한 제어는 중간 적외선 길이에서 매우 효율적인 플라즈몬 흡수를 가능하게 함. 이 개발의 한 가지 이점은 야간 투시경 장치에 적용되었을 때 일시적으로 눈을 멀게 할 수 있는 갑작스럽고 강렬한 열 변화에 더 잘 반응할 수 있다는 것임. 초고속 플라즈몬 응용 분야를 위한 금속/산화 카드뮴 인터페이스 전반에 걸친 이 탄도 열주입 공정의 실현은 다른 장치 관련 재료 인터페이스의 효율적인 냉각을 위해 이 공정을 사용할 수 있는 문을 열어줌.

이 팀의 혁신은 카드뮴 산화물 샘플 제작에 대한 Penn State의 전문 지식, Vanderbilt의 광학 모델링 전문성, University of Southern California의 계산 모델링, UVA의 에너지 전송, 전하 흐름 및 이종 인터페이스에서 플라즈몬과의 광 상호 작용에 대한 전문 지식과 이 새로운 탄도 열주입 공정을 모니터링하기 위한 새로운 초고속 펌프 프로브 레이저를 개발한 것임.

본 연구 성과는 ‘Nature Nanotechnology’ (“Long-lived modulation of plasmonic absorption by ballistic thermal injection”) 지에 게재됨