革新的熱測定技術が電子デバイスのナノスケールホットスポットを可視化

エレクトロニクス＆センサインサイダー

ナノワイヤーまで：ロチェスターの研究者たちが、鋭い温度勾配を生成するように設計した電気ヒーター構造で、超高分解能熱測定技術を実証。（画像：ロチェスター大学/J. Adam Fenster）

ナノスケール熱伝達問題の可視化

ノートパソコンやスマートフォンのような電子デバイスが過熱するとき、それらは根本的にナノスケールの熱伝達問題に苦しんでいます。その問題の源を特定するのは、干し草の山から針を探すようなものです。

「現代エレクトロニクスの構成要素はナノスケール特徴を持つトランジスタなので、どの部分が過熱しているかを理解するための第一歩は、詳細な温度マップを得ることです」と、ロチェスター大学機械工学部助教授でレーザーエネルギー研究所科学者のアンドレア・ピッケル氏は言います。「しかし、それを行うにはナノスケール分解能を持つ何かが必要です。」

既存光学熱測定の限界を超える新手法

既存の光学熱測定技術は、達成できる空間分解能に根本的な限界があるため非現実的です。そこでピッケル氏とその材料科学博士課程学生のツィヤン・イェ氏とベンジャミン・ハリントン氏は、生物学的イメージングで使用されるノーベル化学賞受賞の光学超解像蛍光顕微鏡技術を活用してこれらの限界を克服する新しいアプローチを設計しました。新しい『Science Advances』研究で、研究者たちは発光ナノ粒子を用いた熱伝達マッピングのプロセスを概説しています。

高ドープアップコンバージョンナノ粒子をデバイス表面に適用することで、研究者たちは最大10ミリメートル離れた場所からナノスケールレベルでの超高分解能熱測定を実現しました。ピッケル氏によると、その距離は超解像顕微鏡の世界では極めて遠く、彼らが着想を得た生物学的イメージング技術は通常1ミリメートル未満の距離で動作します。

生物学的手法を電子デバイスに適用する課題

ピッケル氏は、生物学的イメージング技術が素晴らしい着想源となる一方で、全く異なる材料を扱うため、電子デバイスへの適用には大きなハードルがあったと述べます。「私たちの要件は、細胞や水ベースの材料を見る生物学者とは大きく異なります」と同氏。「彼らはしばしば、対物レンズとサンプルの間に水や油のような液体を持っています。それは生物学的イメージングには最適ですが、電子デバイスを扱う場合、それは避けたいことです。」

幅広い電気コンポーネント改良への応用可能性

論文では、チームが設計した鋭い温度勾配を生成する電気ヒーター構造を用いて技術を実証していますが、ピッケル氏はこの手法がメーカーによって幅広い電気コンポーネントの改良に使用可能だと述べています。プロセスをさらに改善するため、チームは使用レーザー出力を下げ、ナノ粒子層のデバイスへの適用方法を改良することを目指しています。

出典

急速充電がEV充電環境をどう変えるか：熱管理と温度センサの鍵革命的AIチップがトランジスタの限界を超え、巨大な計算能力を実現

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