Técnica revolucionaria de termometría revela puntos calientes nanométricos en dispositivos electrónicos

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HASTA EL ALAMBRE: Investigadores de Rochester demostraron sus técnicas de termometría de súper alta resolución en una estructura de calentador eléctrico que el equipo diseñó para producir gradientes de temperatura agudos. (Imagen: Universidad de Rochester/J. Adam Fenster)

El problema del calor a nanoescala

Cuando dispositivos electrónicos como laptops o smartphones se sobrecalientan, fundamentalmente sufren un problema de transferencia de calor a nanoescala. Identificar la fuente de ese problema puede ser como intentar encontrar una aguja en un pajar.

"Los bloques de construcción de nuestra electrónica moderna son transistores con características nanométricas, así que para entender qué partes se sobrecalientan, el primer paso es obtener un mapa de temperatura detallado", dijo Andrea Pickel, profesora asistente del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Rochester y científica del Laboratorio de Energética Láser. "Pero necesitas algo con resolución nanométrica para hacer eso."

Superando límites de la termometría óptica tradicional

Las técnicas existentes de termometría óptica son imprácticas porque tienen límites fundamentales en la resolución espacial que pueden lograr. Así que Pickel y sus estudiantes de doctorado en ciencia de materiales Ziyang Ye y Benjamin Harrington diseñaron un nuevo enfoque para superar estas limitaciones aprovechando técnicas de microscopía de fluorescencia de super-resolución óptica ganadoras del Premio Nobel de Química usadas en imágenes biológicas. En un nuevo estudio en Science Advances, los investigadores describen su proceso para mapear la transferencia de calor usando nanopartículas luminiscentes.

Al aplicar nanopartículas upconverting altamente dopadas a la superficie de un dispositivo, los investigadores lograron termometría de súper alta resolución a nivel nanométrico desde hasta 10 milímetros de distancia. Según Pickel, esa distancia es extremadamente lejana en el mundo de la microscopía de super-resolución y que las técnicas de imágenes biológicas que usaron como inspiración típicamente operan a menos de un milímetro de distancia.

Adaptación de técnicas biológicas a electrónica

Pickel dice que aunque las técnicas de imágenes biológicas proporcionan gran inspiración, aplicarlas a la electrónica tuvo obstáculos significativos porque involucran materiales tan diferentes. "Nuestros requisitos son muy diferentes de los biólogos porque ellos miran cosas como células y materiales basados en agua", dijo. "A menudo, podrían tener un líquido como agua o aceite entre su lente objetivo y su muestra. Eso es genial para imágenes biológicas, pero si está trabajando con un dispositivo electrónico, eso es lo último que quiere."

Demostración y aplicaciones futuras

El artículo demuestra la técnica usando una estructura de calentador eléctrico que el equipo diseñó para producir gradientes de temperatura agudos, pero Pickel dice que su método puede ser usado por fabricantes para mejorar una amplia gama de componentes eléctricos. Para mejorar aún más el proceso, el equipo espera reducir la potencia láser usada y refinar los métodos para aplicar capas de nanopartículas a los dispositivos.

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