Confined acoustic phonons in si nanomembranes: impact on thermal properties
La tendencia de la miniaturización tecnológica ha conducido a la generación de densidades de potencia que exceden los 100 watts/cm2, los cuales están en el orden del calor producido en los reactores termonucleares. La necesidad de nuevas técnicas y procesos de enfriamiento ha posicionado al manejo t...
| Autor: | |
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| Tipo de recurso: | tesis doctoral |
| Estado: | Versión publicada |
| Fecha de publicación: | 2014 |
| País: | España |
| Institución: | CBUC, CESCA |
| Repositorio: | TDR. Tesis Doctorales en Red |
| OAI Identifier: | oai:www.tdx.cat:10803/284871 |
| Acceso en línea: | http://hdl.handle.net/10803/284871 |
| Access Level: | acceso abierto |
| Palabra clave: | Silicon nanomembranes Nanomembranas de silicio Nanomenbranes de silici Thermel conductivity Conductividad térmica Conductivitat tèrmica Phonon lifetime Tiempo de vida media fonómica Temps de vida mitja fonòmica Ciències Experimentals 538.9 |
| Sumario: | La tendencia de la miniaturización tecnológica ha conducido a la generación de densidades de potencia que exceden los 100 watts/cm2, los cuales están en el orden del calor producido en los reactores termonucleares. La necesidad de nuevas técnicas y procesos de enfriamiento ha posicionado al manejo térmico en el escenario científico en estos últimos años. Por otro lado, la ingeniería de la conducción térmica puede abrir rutas nuevas rutas para recolección energética, por ejemplo, a través de la generación termoeléctrica. Como consecuencia, el control y la ingeniería de fonones a nivel nanométrico es una indispensable herramienta para el ajuste de propiedades físicas deseadas en dispositivos en la búsqueda de un adecuado compromiso entre performance y el consumo de potencia. En el siguiente trabajo se presenta un exhaustivo estudio teórico y experimental de la dependencia con el grosor de las propiedades térmicas en membranas de silicio con espesores que fluctúan entre los 9 a los 2000 nm. La relación de dispersión fononica y la correspondiente velocidad de fase han sido investigadas por medio de la espectroscopia inelástica de la luz Brillouin. La reducción de la velocidad de fase/grupo del modo fundamental de flexión fue observada y teóricamente explicada. Además, la reducción de los tiempos de vida media de fonones acústicos coherentes con frecuencias máximas que bordean los 500 GHz también ha sido estudiada utilizando una de las últimas técnicas ultrarrápidas de resolución temporal (ultrafast pump-probe) conocida como: asynchronous optical sampling (ASOPS). Por medio de esta técnica se observo la dramática disminución de los tiempos de vida del primer modo de dilatación desde los ~ 4.7 ns a los 5 ps en mebranas con grosores entre los ~ 194 a los 8 nm. Finalmente, la conductividad térmica de estas membranas fue investigada utilizando tres diferentes técnicas de caracterización conocidas como: Single laser termometría Raman, doble-laser termometría Raman y gradiente térmico transitorio. Por medio de estas técnicas hemos encontrado que la conductividad térmica de las membranas se reduce sistemáticamente con el grosor de estas, alcanzando valores tan bajos como 9 Wm-1K-1 para la membrana más delgada. Para entender estos drásticos cambios en las propiedades térmicas de las membranas, diferentes aproximaciones teóricas han sido desarrolladas. La simulación de la relación de dispersión acústica fue desarrollada utilizando tres modelos diferentes: el modelo elástico continuo, el modelo de Debye y un modelo ajuste. La dependencia de los tiempos de vida media fueron simulados considerando procesos de dispersiones extrínsecas e intrínsecas. Mientras que conductividad térmica fue modelada utilizando la modificación del modelo bidimensional de Debye (Modelo de Huang), el modelo de Srivastava-Callaway-Debye y el modelo de Fuchs-Sondheimer. Estas observaciones tienes consecuencias significativas para la tecnología basas en el silicio, estableciendo las bases para la investigación de las propiedades térmicas de otros sistemas de baja dimesnionalidad. Ademas, este estudio proporcionaría las directrices de diseño generando nuevo enfoques para el manejo térmico a escalas nanométricas. |
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