Pesquisadores no Japão desenvolveram um método inovador e escalável para ajustar a condutividade térmica em filmes finos através da aplicação de lasers de femtossegundos.
Estudar: Engenharia térmica escalonável by way of nanoestruturas fonônicas escritas diretamente a laser de femtosegundo. Crédito da imagem: VVVproduct/Shutterstock.com
O estudo foi publicado recentemente em Materiais Funcionais Avançados. Ele ilustra como seu método pode ser basic para alcançar simultaneamente precisão em escala laboratorial e rendimento em escala industrial.
Os pesquisadores relataram como as estruturas de superfície periódicas induzidas por laser de femtosegundo gerenciam efetivamente a condutividade térmica em sólidos de película fina.
Sua técnica usa ablação a laser de alta velocidade para gerar ranhuras paralelas em nanoescala com um rendimento 1.000 vezes maior que os métodos tradicionais, modificando assim estrategicamente a dispersão de fônons dentro do materials.
Esta abordagem, que é escalonável e adequada para semicondutores, tem o potencial de permitir a produção em massa de estruturas de engenharia térmica, preservando ao mesmo tempo a precisão normalmente encontrada em ambientes de laboratório.
Usando lasers para fazer nanoestruturas que controlam o transporte de calor
O controle do transporte de calor é um dos desafios mais significativos na vanguarda da eletrônica e das tecnologias de informação quântica.
À medida que os dispositivos diminuem de tamanho enquanto a sua densidade de potência aumenta, torna-se essencial gerir o calor substancial que produzem para um desempenho e longevidade ideais. Uma abordagem promissora para conseguir isso é através da engenharia de fônons, que envolve o uso de nanoestruturas fonônicas meticulosamente projetadas para manipular e espalhar fônons – as quasipartículas responsáveis pela condução de calor em vários sólidos.
Apesar das aplicações potenciais de nanoestruturas fonônicas em áreas como isolamento térmico em nanoescala e conversão de energia, sua fabricação em escala industrial continua bastante difícil. As atuais técnicas de fabricação de alta resolução, incluindo a litografia por feixe de elétrons (EBL), são inerentemente lentas, complexas e caras, tornando-as impraticáveis para produção em massa.
A nova técnica utiliza lasers poderosos e de alta velocidade para criar pequenos sulcos paralelos em filmes finos de silício/sílica através de um processo conhecido como ablação a laser. As ranhuras paralelas são projetadas com periodicidades e espessuras de fundo de ranhura comparáveis à distância média percorrida pelos fônons.
Essas nanoestruturas altamente uniformes, conhecidas como estruturas de superfície periódicas induzidas por laser de femtosegundo (fs-LIPSS), quando combinadas com a técnica tradicional de gravação a seco para ajustar a espessura do silício, reduzem significativamente a condutividade térmica do materials, conforme demonstrado por meio de medições de termorrefletância.
Os pesquisadores realizaram uma série de simulações numéricas, que validaram que as mudanças na condutividade térmica observadas se devem principalmente às nanoestruturas periódicas que restringem a distância média de viagem dos fônons, e assim obtiveram uma visão mais profunda da física basic.
Este método de fabricação atinge um rendimento sem precedentes no campo. O processo fs-LIPSS foi determinado como sendo 1.000 vezes mais rápido que o EBL tradicional de feixe único, preservando ao mesmo tempo a resolução necessária em nanoescala.
Os presentes resultados representam um marco importante na tradução dos resultados da pesquisa basic em aplicações do mundo actual. Esperamos que o método proposto acelere o desenvolvimento de tecnologias avançadas em áreas onde o gerenciamento térmico é essential, incluindo computação de alto desempenho, conversão de energia no chip e dispositivos quânticos.
Byunggi Kim, professor assistente, Departamento de Engenharia Mecânica, Instituto de Ciências de Tóquio
O estudo indica uma transição para a implementação prática da regulação térmica em nanoescala. Dado que o método fs-LIPSS é uma abordagem sem máscara e sem resistência, é naturalmente compatível com a tecnologia CMOS e pode ser facilmente dimensionado para tamanhos de nível de wafer.
Nosso estudo estabelece o fs-LIPSS como uma plataforma versátil para gerenciamento térmico de grandes áreas e engenharia de fônons, e sua funcionalidade pode ser combinada com propriedades ópticas e eletrônicas, ajudando assim a estabelecer uma plataforma multifuncional.
Byunggi Kim, professor assistente, Departamento de Engenharia Mecânica, Instituto de Ciências de Tóquio
Referência do periódico:
Hamma, H., e outros. (2025) Engenharia térmica escalável by way of nanoestruturas fonônicas escritas diretamente a laser de femtosegundo. Materiais Funcionais Avançados. DOI:10.1002/adfm.202525269.