电子-声子相互作用影响计算机芯片散热

未来几年，随着更多的晶体管挤进更小范围内的计算机芯片，麻省理工学院的工程师说，手机、 笔记本电脑和其他电子设备可能面临更高风险的经济过热，由于电子与热携带的粒子称为声子之间的相互作用。

研究人员发现，这些以前被低估的交互可以发挥重大作用，防止在微电子器件的散热。他们的研究结果被发表在自然通讯 》 杂志上。

他们在实验中，团队精确定时的激光脉冲用于测量电子与非常薄的硅片中的声子之间的相互作用。随着浓度的增加在硅中的电子，这些电子就越多分散声子，并且防止他们在携带热量带走。

“当您的计算机运行时，它产生的热量，和你想要这热能就消散了，由声子，开展”说作者博林廖，在麻省理工学院机械工程前的研究生。”如果声子星罗棋布的电子，它们不一样好，因为我们以为他们是在进行热。这将创建一个问题，我们必须要解决作为筹码变得更小”。

另一方面，廖说这相同的效果可能受益热电发电机，将热能直接转化为电能。在这种设备中，散射声子，，从而降低漏热，将大大改善其性能。

“现在我们知道这种效应可以是重要的电子浓度较高时，”廖说。”我们现在必须考虑如何在更复杂的方式，利用热电和微电子设备工程师电子-声子相互作用”。

廖添丁的合著者包括陈刚、 卡尔 · 理查德 · 索德伯格教授在动力工程和机械工程; 头化学部; 高级研究科学家阿列克谢马兹涅夫基思 · 纳尔逊，哈斯和杜威的化学教授。

阻塞流

由如硅和电气电缆由金属制成的半导体材料制成的晶体管，电子是主要的代理商负责通过材料的导电。为什么这种材料具有有限的电阻的主要原因是电子的流动的某些障碍的存在 — — 即，与热载体的声子，可以与电子，扔碰撞相互作用关闭其导电的路径。

科学家们长期以来研究这种电子-声子相互作用对电子本身，但这些相同的相互作用是如何影响声子的影响 — — 和材料传导热量的能力 — — 是了解不多。

廖说，”人们几乎没有研究对声子的影响因为他们过去认为这种影响并不重要，”。”但正如我们所知从牛顿第三定律，每一个动作有反应。我们只是不知道在什么情况下这种效果就变得重要。

散点图和衰变

廖和他的同事们以前计算出在硅，最常用的半导体材料，当电子的浓度大于每立方厘米，电子与声子的相互作用 1019年会强烈散射声子。而且，他们会减少散热百分之 50，当浓度达到每立方厘米 1021年材料的能力。

“这就是真正有意义的效应，但人们仍表示怀疑，”廖说。这主要是散热的因为在以前的实验材料与高电子浓度他们假定减少主要是散热的因为不到电子-声子相互作用而至缺陷材料。这种缺陷引起的”兴奋剂”，过程中哪些额外的元素如磷硅来增加其电子浓度硼加。

“所以挑战来验证我们的想法是，我们不得不分开电子和缺陷作出的贡献，通过某种方式控制材料，内部的电子浓度没有引入任何缺陷，”廖说。

团队开发了一种叫做三脉冲光声光谱技术可以精确地在薄薄的硅的电子数目增加通过光学的方法，并衡量任何影响材料的声子技术。方法的扩充常规双脉冲光声光谱技术，科学家闪耀两个精确调谐和定时激光器在材料。第一台激光器在材料，而第二个措施的声子脉冲活动它撒或衰变产生声子脉冲。

廖添加第三个激光，其中当照耀硅正是增加材料的浓度的电子，而无需创建缺陷。当他以后引入第三个激光测量声子脉冲时，他发现它衰变快多了，说明电子浓度增加行动与声子散射抑制他们的活动。

“很高兴的是，我们发现实验结果很好同意我们过往的计算方法，和我们现在可以说这效果可以是真正有意义，我们证明了它在实验中，”廖说。”这是第一次的实验，以直接探讨电子-声子相互作用影响声子之间。

有趣的是，研究人员第一次开始看到这种效果在装满了 1019electrons 每立方厘米的硅 — — 相当或更低浓度比一些当前的晶体管。

“从我们的研究显示，这要真正严重的问题时的电路规模变得更小，”廖说。”即使是现在，被几个纳米的晶体管大小，我认为这种影响将开始出现，和我们真的需要认真考虑这种效应，并考虑如何使用或避免设备的实际。