Защита от перегрева: прибор на основе двух лазеров измерит теплопроводность материалов для электроники
Микроструктура чувствительного элемента детектора.
© Demchenko et al. / Applied Physics Letters, 2023.
Физики разработали методику на основе красного и зеленого лазеров, позволяющую быстро и бесконтактно измерять теплопроводность материалов. Эта характеристика важна, поскольку перегрев электронных компонентов таких устройств как лазеры и детекторы может вывести их из строя. Прибор на основе новой методики по точности не уступает аналогам, но при этом проще и в десять раз дешевле в изготовлении, а также работает при комнатной температуре. Используя его показания, авторы изготовили датчик терагерцового излучения, который также дешев в производстве и не требует охлаждения, а потому может использоваться в медицинской диагностике и в устройствах для просвечивания багажа. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Applied Physics Letters.
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.
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».