Ingenieure der University of Rochester verwenden fortschrittliche biologische Bildgebungstechniken, um kleine, überhitzte Komponenten zu identifizieren, die die Effizienz elektronischer Geräte verringern.

Elektronische Geräte wie Laptops und Smartphones leiden oft unter nanoskaligen Wärmeübertragungsproblemen, wenn sie überhitzen. Die Quelle dieses Problems zu finden, kann sehr herausfordernd sein.

Präzise Temperaturkartierung
Andrea Pickel, Assistenzprofessorin am Department of Mechanical Engineering der University of Rochester und Wissenschaftlerin am Laboratory for Laser Energetics, erklärt, dass Transistoren, die Grundbestandteile moderner Elektronik, sehr klein sind, weshalb es wichtig ist, eine präzise Temperaturkarte zu erstellen, um überhitzte Teile zu identifizieren. Dies erfordert eine Auflösung im Nanomaßstab.

Innovative Ansätze
Bestehende optische Thermometrie-Techniken sind aufgrund ihrer Einschränkungen in der räumlichen Auflösung unpraktisch. Pickel und ihre Doktoranden, Ziyang Ye und Benjamin Harrington, entwickelten einen neuen Ansatz unter Verwendung optischer Super-Resolution-Fluoreszenztechniken, die mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet wurden. In ihrer im Fachjournal Science Advances veröffentlichten Studie beschreiben sie den Prozess der Kartierung des Wärmeübergangs mittels lumineszierender Nanopartikel.

Technologische Fortschritte
Durch die Anwendung stark dotierter, aufkonvertierender Nanopartikel auf die Oberfläche des Geräts erreichten die Forscher eine hochauflösende Thermometrie im Nanomaßstab bei Entfernungen von bis zu 10 Millimetern. Dies ist eine beträchtliche Entfernung in der Welt der Super-Resolution-Mikroskopie, in der normalerweise bei weniger als einem Millimeter gearbeitet wird.

Herausforderungen und Anpassungen
Pickel betont, dass, obwohl biologische Bildgebungstechniken Inspiration bieten, ihre Anwendung auf die Elektronik erhebliche Herausforderungen aufgrund unterschiedlicher Materialien mit sich bringt. Biologen verwenden oft Flüssigkeiten wie Wasser oder Öl zwischen der Linse und der Probe, was für elektronische Geräte nicht geeignet ist.

Industrielle Anwendungen
Die Technik wurde an einer elektrischen Heizstruktur demonstriert, die scharfe Temperaturgradienten erzeugt, aber Pickel behauptet, dass ihre Methode zur Verbesserung verschiedener elektronischer Komponenten verwendet werden kann. Das Team hofft, die Leistung des für die Messung benötigten Lasers zu reduzieren und die Methoden zur Aufbringung von Nanopartikelschichten auf Geräte zu verbessern.

Unterstützung und Finanzierung
Die Forschung wird von der National Science Foundation und der University of Rochester durch den Furth Fund Award unterstützt.

Quelle: University of Rochester