12 November 2023, 12:00

Устройство из двух лазеров измерит теплопроводность материалов для электроники

Современные электронные устройства становятся все более миниатюрными и достигают наномасштабов (миллионных долей миллиметра). При этом они обладают уникальными свойствами, например, наноразмерные лазеры и детекторы оказываются в разы точнее и чувствительнее, чем их макроразмерные аналоги.

Устройство из двух лазеров измерит теплопроводность материалов для электроники
Установка для измерения теплопроводности
Source: Михаил Ходзицкий

Однако работа микро- и наноразмерных устройств сильно зависит от температуры, поскольку нагрев может уменьшать их способность проводить электрический ток, а в случае лазеров — изменять длину волны, с которой они испускают свет. Поэтому исследователи разрабатывают методики, которые позволят точно измерять и контролировать теплопроводность электронных компонентов, то есть их способность нагреваться. С их помощью можно оценить, есть ли риск перегрева устройства и выхода его из строя.

Ученые из ООО «Терагерцовая Фотоника» (Резидент «Сколково», Санкт-Петербург), Образовательного центра «Энергоэффективные инженерные системы» Университета ИТМО (Санкт-Петербург) и Санкт-Петербургского государственного университета промышленных технологий и дизайна (Санкт-Петербург) разработали новую методику, которая позволяет быстро, легко и бесконтактно измерять теплопроводность объемных и наноразмерных тонкопленочных образцов без разрушения. Устройство состоит из двух лазеров: излучение первого — лазера накачки — на длине волны зеленого цвета нагревает образец, а отраженное от образца излучение второго — зондирующего лазера — на длине волны красного цвета используется для измерения теплопроводности.

В зависимости от того, насколько нагрелся материал, он по-разному отражает свет красного лазера, поэтому данные об отражательной способности образца позволяют рассчитать его теплопроводность.

С помощью новой методики авторы измерили теплофизические свойства материалов, из которых изготавливается датчик терагерцового излучения, для создания численной модели данного прибора. Излучение такого типа используется для изучения самых разных объектов: от живых тканей до багажа в аэропорту в режимах на отражение и пропускание, поскольку позволяет более безопасным, чем рентген, способом просканировать непрозрачные материалы. Опираясь на полученные данные по теплопроводности, ученые изготовили терагерцовый детектор.

Авторы экспериментально проверили, насколько точно датчик воспринимает излучение, которое при работе будет поглощаться образцом. Для этого прибор освещали терагерцовым излучением с известными характеристиками (интенсивностью и длиной волны) и проверяли, насколько точно эти данные воспроизведет устройство. Эксперимент показал, что по чувствительности и скорости отклика на излучение прибор не уступает уже существующим детекторам и хорошо согласуется с численной моделью данного устройства. При этом новое устройство обладает важным преимуществом перед ними — оно дешевле аналогов и проще в изготовлении, а также может работать при комнатной температуре, тогда как большинство других подобных приборов требуют охлаждения до сверхнизких температур порядка -270°С.

«Производство прибора для измерения теплопроводности оказалось в десять раз дешевле аналогов, при этом по характеристикам он им не уступает. Благодаря этому данные о теплопроводности материалов, полученные на данном устройстве, могут найти применение в терагерцовой фотонике в таких областях, как системы связи 6G, визуализация, медицинская диагностика. В дальнейшем мы будем пытаться повысить его чувствительность», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Михаил Ходзицкий, кандидат физико-математических наук, генеральный директор ООО «Терагерцовая Фотоника».

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Applied Physics Letters.

Source:  Пресс-служба РНФ

News article publications

Read also

Предложен подход, позволяющий получать световые импульсы разной формы
В обычных световых импульсах напряженность электромагнитного поля меняется со временем по синусоиде, то есть по кривой в виде попеременно опускающихся и поднимающихся дуг. Ранее считалось, что иные формы поля невозможны, но физики предложили теоретический подход, который позволяет получать световые импульсы прямоугольной или треугольной формы. Согласно расчетам, такие изменения формы возникают при взаимодействии импульса с определенными средами с неравномерной плотностью. Треугольные и прямоугольные импульсы могут применяться в квантовых компьютерах для управления кубитами — элементами, отвечающими за хранение и обработку информации.
Laser physics
Optics
Quantum Physics
Theoretical physics
1 February 2024
Определено, как повреждаются алмазы при нанесении лазерного QR-кода
Ученые определили механизм повреждения кристаллической решетки алмаза, лежащий в основе технологии нанесения уникальных меток на драгоценные камни с помощью лазера. Такие метки, подобно QR-коду, позволяют опознать каждый отдельный драгоценный камень и избежать подделок, но пока не используются массово. Знание механизма повреждения алмаза позволит доработать устройства для промышленного применения технологии.
Atomic physics
Crystallography
Laser physics
31 December 2023
Современные смартфоны и ноутбуки могут помешать новым сетям Wi-Fi 7
Ученые выяснили, что современные смартфоны и ноутбуки от популярных производителей не поддерживают механизм интервалов тишины с той точностью, которая требуется для совместной работы этих устройств рядом с будущими устройствами Wi-Fi 7. «Интервалы тишины» в технологии Wi-Fi нужны, чтобы соблюдать строгое расписание при передаче данных на устройства и тем самым избежать задержек. Эксперимент показал, что современная техника часто игнорирует эти интервалы или неверно определяет их параметры, что создаст проблемы, например, для приложений виртуальной реальности в сетях Wi-Fi 7.
Cloud technologies
Computer science
Electronics
IT
25 December 2023
Разработана технология для проверки молочной продукции на антибиотики
Ученые ИТМО разработали технологию, которая автоматически определяет содержание и точную концентрацию антибиотиков в молоке. В ее основе — электрохимический анализ (высокочувствительный метод обнаружения нужных веществ в растворах) и алгоритмы машинного обучения. Разработка может уберечь потребителей молочной продукции от вредных для здоровья препаратов.  Она может использоваться и для анализа других сред — например, для обнаружения нежелательных примесей в нефти, проверки качества кофе и подлинности вина.
Electrochemistry
Electronics
Machine learning
8 December 2023
Новый метод получения сверхпроводниковых пленок NbTiN с оптимальными параметрами
Ученые из МФТИ и ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН определили условия получения сверхпроводящих пленок из нитрида ниобия титана с оптимальными свойствами: малой глубиной проникновения магнитного поля, высокой температурой перехода в сверхпроводящее состояние и высокой удельной проводимостью. Полученный результат поможет синтезировать высококачественные пленки для элементов устройств сверхпроводниковой электроники.
Electrodynamics
Electronics
Superconductivity
26 October 2023
Изменение конструкции котлов снизит затраты на производство теплоэнергии на 10%
Ученые рассчитали, как повысить экологичность и эффективность сжигания мазутного топлива, на котором в России работают более двух тысяч котельных и семь ТЭЦ. Оказалось, что, используя водомазутную смесь вместо чистого мазута и располагая горелки, распыляющие топливо, под углом менее десяти градусов друг к другу, вредные выбросы в атмосферу удастся снизить на 9–14%и удешевить производство тепловой и электроэнергии на 10%.
Chemical technology
Colloidal chemistry
Thermophysics
30 August 2023