作者凯伦·沃克，弗吉尼亚大学工程和应用科学学院 界面能量转移的机理和实验方案
学分:自然纳米技术(2020)
DOI: 10
1038/s 14565-020-00794-z 弗吉尼亚大学工程学院的一项研究突破展示了一种控制温度和延长传感器、智能手机和晶体管等电子和光子设备寿命的新机制
这一发现来自UVA在热工程研究小组的实验和模拟，挑战了半导体设计中热传递的基本假设
在器件中，电触点形成于金属和半导体材料的结合处
“传统上，材料和器件工程师认为电子能量通过电荷注入的过程穿过这个结，”小组组长帕特里克·霍普金斯说，他是机械和航空航天工程教授，在材料科学、工程和物理方面有礼貌的任命
电荷注入假设，随着电荷的流动，电子从金属中物理地跳到半导体中，带走多余的热量
这改变了绝缘或半导体材料的电组成和性质
与电荷注入同时进行的冷却会显著降低器件效率和性能
霍普金斯研究小组发现了一种新的热传递途径，该途径包括与电荷注入相关的冷却的好处，而没有电子物理移动到半导体器件中的任何缺点
他们称这种机制为弹道热注入
正如霍普金斯大学的顾问约翰·通科博士所描述的那样
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材料科学与工程的学生:“电子到达其金属和半导体之间的桥，看到另一个电子穿过桥并与它相互作用，传递它的热量，但停留在桥的自身一侧
半导体材料吸收大量热量，但电子数量保持不变
" 霍普金斯说:“通过保持电荷密度恒定来冷却电触点的能力为电子冷却提供了一个新的方向，而不会影响设备的电学和光学性能。”
“独立优化材料和器件的光学、电学和热学性能的能力提高了器件的性能和寿命
" Tomko在激光计量方面的专业知识——在纳米尺度上测量能量转移——揭示了弹道热注入是设备自冷却的一条新途径
Tomko的测量技术，更具体地说是光学激光光谱学，是一种测量金属-半导体界面热传递的全新方法
“以前的测量和观察方法不能将热传递机制与电荷注入分开分解，”汤姆科说
在他们的实验中，霍普金斯的研究小组选择了氧化镉，一种看起来像玻璃的透明导电氧化物
氧化镉是一个实用的选择，因为它独特的光学特性非常适合汤姆科的激光光谱测量方法
氧化镉完美地吸收等离子体形式的中红外光子，等离子体是由同步电子组成的准粒子，是将光耦合到材料中的一种非常有效的方式
Tomko使用弹道热注入来移动发生完全吸收的光波长，本质上是通过注入的热量来调整氧化镉的光学特性
“我们对调谐的观察使我们能够明确地说，热传递是在不交换电子的情况下发生的，”汤姆科说
Tomko探测等离子体激元，以提取金属和半导体之间的桥两侧自由电子数量的信息
通过这种方式，汤姆科捕捉到了金属加热和冷却前后电子位置的测量值
该团队的发现也为红外传感技术提供了希望
Tomko的观察显示，只要氧化镉保持高温，光学调谐就会持续，记住时间是相对的——万亿分之一秒，而不是万亿分之一秒
弹道热注入可以控制等离子体吸收，从而控制非金属材料的光学响应
这种控制能够在中红外长度上实现高效的等离子体吸收
这种发展的一个好处是，夜视设备可以对突然、剧烈的热量变化做出更好的反应，否则热量变化会使设备暂时失明
霍普金斯说:“在超快等离子体应用中，在金属/氧化镉界面上实现这种弹道热注入过程，为我们利用这种过程有效冷却其他与器件相关的材料界面打开了大门。”
汤姆科首先写了一篇论文，记录了这些发现
11月9日，《自然纳米技术》发表了该团队的论文《弹道热注入对等离子体吸收的长寿命调制》；该报还在《编辑新闻与观点》杂志上得到宣传
《自然纳米技术》的论文为托姆科增加了一长串的出版物，他与人合著了30多篇论文，现在在研究生时代可以宣称自己是两篇《自然纳米技术》论文的第一作者
这篇研究论文以一项为期两年的合作努力而告终，这项工作是由一家美国大学资助的
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陆军研究室多大学研究计划
宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程教授乔恩·保罗·玛利亚是MURI基金的首席研究员，该基金包括南加州大学和弗吉尼亚大学
这个MURI团队还与范德比尔特大学机械工程和电气工程副教授乔希·考德威尔合作
该团队的突破依赖于宾夕法尼亚州立大学在制作氧化镉样品方面的专业知识、范德比尔特在光学建模方面的专业知识、南加州大学的计算建模以及UVA在能量传输、电荷流和光子与异质界面等离子体相互作用方面的专业知识，包括开发一种新型超快泵浦探针激光实验来监控这种新型弹道热注入过程
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