Thermische Wellen in Halbleitermaterialien beobachtet

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Zweiter Schall in Germanium

Eine in Science Advances veröffentlichte Untersuchung berichtet über die unerwartete erstmalige Beobachtung von thermischen Wellen in Germanium, einem Halbleitermaterial. Dieses Phänomen könnte in naher Zukunft eine deutliche Leistungsverbesserung elektronischer Geräte ermöglichen. Die Studie wurde von Forschern des Instituts für Materialwissenschaften von Barcelona (ICMAB, CSIC) in Zusammenarbeit mit Forschern der Universitat Autònoma de Barcelona und der Universität von Cagliari durchgeführt.

Verstärkter Thermoreflexionsaufbau im Frequenzbereich zur Untersuchung der Existenz des zweiten Schalls in Germanium – Foto © ICMAB, CSIC

Wärme, wie wir sie kennen, entsteht durch die Vibration von Atomen und wird bei Umgebungstemperaturen durch Diffusion übertragen. Leider ist sie ziemlich schwer zu kontrollieren und führt zu einfachen und ineffizienten Strategien, um sie zu manipulieren. Deshalb können sich zum Beispiel in unseren Computern, Mobiltelefonen und generell in den meisten elektronischen Geräten große Mengen an Restwärme ansammeln.
Wenn Wärme jedoch durch Wellen, wie z. B. Licht, transportiert wird, würde dies neue Alternativen bieten, sie zu kontrollieren, insbesondere durch die einzigartigen und intrinsischen Eigenschaften von Wellen.

Bisher wurden Wärmewellen nur in wenigen Materialien beobachtet, etwa in festem Helium oder, in jüngerer Zeit, in Graphit. Nun berichtet die Science Advances-Studie über die Beobachtung von Wärmewellen auf festem Germanium, einem Halbleitermaterial, das typischerweise in der Elektronik verwendet wird, ähnlich wie Silizium, und bei Raumtemperatur. „Es wurde nicht erwartet, diese wellenartigen Effekte, die als zweiter Schall bekannt sind, auf dieser Art von Material und unter diesen Bedingungen anzutreffen“, sagt Sebastián Reparaz, ICMAB-Forscher in der Gruppe Nanostrukturierte Materialien für Optoelektronik und Energy Harvesting (NANOPTO) und Leiter dieser Studie.

Die Beobachtung gelang bei der Untersuchung der thermischen Reaktion einer Germaniumprobe unter Einwirkung von Lasern, die eine hochfrequent oszillierende Heizwelle auf ihrer Oberfläche erzeugen. Die Experimente zeigten, dass die Wärme, anders als bisher angenommen, nicht durch Diffusion abgeführt wird, sondern sich durch Wärmewellen im Material ausbreitet. Abgesehen von der Beobachtung selbst, veröffentlichen die Forscher mit der Untersuchung einen Ansatz, wie die Beobachtung von Wärmewellen, möglicherweise in jedem materiellen System, entschlüsselt werden kann.

Was ist der zweite Schall und wie kann er in jedem Material beobachtet werden
Erstmals in den 60er Jahren an festem Helium beobachtet, ist der Wärmetransport durch Wellen, bekannt als zweiter Schall, ein immer wiederkehrendes Thema für Forscher, die wiederholt versucht haben, seine Existenz in anderen Materialien nachzuweisen. Jüngste erfolgreiche Demonstrationen dieses Phänomens an Graphit haben seine experimentelle Untersuchung wiederbelebt.

„Zweiter Schall“ ist das thermische Regime, in dem sich Wärme in Form von thermischen Wellen ausbreiten kann, anstelle des häufig beobachteten diffusiven Regimes. Diese Art des wellenartigen Wärmetransports hat viele der Vorteile von Wellen, einschließlich Interferenz und Beugung“, sagt ICMAB-Forscher Sebastián Reparaz. „Wellenartige Effekte lassen sich freisetzen, indem man das System in einem schnell variierenden Temperaturfeld antreibt. Mit anderen Worten, ein schnell variierendes Temperaturfeld erzwingt die Ausbreitung von Wärme im wellenartigen Regime“, erklärt Reparaz und fügt hinzu: „Die interessante Schlussfolgerung unserer Arbeit ist, dass diese wellenartigen Effekte potenziell bei den meisten Materialien bei einer ausreichend großen Modulationsfrequenz des Temperaturfeldes beobachtet werden können. Und, was noch interessanter ist, ihre Beobachtung ist nicht auf einige spezifische Materialien beschränkt.“

Der zweite Schall ist als thermisches Transportregime bekannt, bei dem die Wärme durch Temperaturwellen transportiert wird. Seine experimentelle Beobachtung war bisher auf eine kleine Anzahl von Materialien beschränkt, meist in recht engen Temperaturfenstern. Wir zeigen, dass es möglich ist, diese Einschränkungen zu überwinden, indem man das System mit einem schnell variierenden Temperaturfeld antreibt. Der hochfrequente zweite Schall wird in natürlichem Bulk-Ge zwischen 7 K und Raumtemperatur demonstriert, indem die Phasenverzögerung der thermischen Antwort unter einer harmonischen hochfrequenten externen thermischen Anregung untersucht und die Relaxationszeit und die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wärmewellen adressiert werden. Diese Ergebnisse bieten einen Weg, um das Potenzial des wellenförmigen Wärmetransports in fast jedem Material zu untersuchen und eröffnen Möglichkeiten, Wärme durch ihre oszillatorische Natur zu kontrollieren. (aus: Science Advances, Creative Commons Attribution NonCommercial License 4.0 – CC BY-NC)

Anwendungen des zweiten Schalls in naher Zukunft

„Die möglichen Anwendungen des zweiten Schalls sind grenzenlos“, so Reparaz. Um diese Anwendungen zu erreichen, ist jedoch ein tiefes Verständnis darüber erforderlich, wie man dieses Wärmeausbreitungsregime bei einem bestimmten Material freisetzen kann. Die Möglichkeit, die Wärmeausbreitung durch die Eigenschaften von Wellen zu kontrollieren, eröffnet neue Wege, um künftige Generationen von thermischen Geräten zu entwerfen, ähnlich wie die bereits etablierten Entwicklungen für Licht. „Insbesondere könnte das zweite thermische Regime des Schalls genutzt werden, um neu zu überdenken, wie wir mit Abwärme umgehen“, fügt er hinzu.

Aus theoretischer Sicht „ermöglichen diese Erkenntnisse eine Vereinheitlichung des aktuellen theoretischen Modells, das bisher davon ausging, dass Materialien, bei denen diese Art von wellenförmigem Verhalten beobachtet wurde (wie Graphit), sich stark von den Halbleitermaterialien unterscheiden, die derzeit bei der Herstellung von elektronischen Chips verwendet werden (wie Silizium und Germanium)“, sagt F. Xavier Álvarez, Forscher an der UAB. „Jetzt können alle diese Materialien mit den gleichen Gleichungen beschrieben werden. Diese Beobachtung etabliert einen neuen theoretischen Rahmen, der in nicht allzu ferner Zukunft eine deutliche Verbesserung der Leistung unserer elektronischen Geräte ermöglichen könnte“, fügt Álvarez hinzu.

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