Técnica Revolucionária de Termometria Revela Pontos Quentes em Escala Nanométrica em Dispositivos Eletrônicos

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ATÉ O FIO: Pesquisadores de Rochester demonstraram suas técnicas de termometria de super-alta resolução em uma estrutura de aquecedor elétrico que a equipe projetou para produzir gradientes de temperatura agudos. (Imagem: Universidade de Rochester/J. Adam Fenster)

Quando dispositivos eletrônicos como laptops ou smartphones superaquecem, eles estão fundamentalmente sofrendo de um problema de transferência de calor em escala nanométrica. Identificar a fonte desse problema pode ser como tentar encontrar uma agulha no palheiro.

"Os blocos de construção de nossa eletrônica moderna são transistores com características em escala nanométrica, então para entender quais partes estão superaquecendo, o primeiro passo é obter um mapa de temperatura detalhado," disse Andrea Pickel, professora assistente do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Rochester e cientista do Laboratório de Energetica a Laser. "Mas você precisa de algo com resolução nanométrica para fazer isso."

Técnicas existentes de termometria óptica são impraticáveis porque têm limites fundamentais na resolução espacial que podem alcançar. Então Pickel e seus alunos de doutorado em ciência dos materiais Ziyang Ye e Benjamin Harrington engenharam uma nova abordagem para superar essas limitações, aproveitando técnicas de microscopia de fluorescência de super-resolução óptica vencedoras do Prêmio Nobel de Química usadas em imagem biológica. Em um novo estudo na Science Advances, os pesquisadores descrevem seu processo para mapear transferência de calor usando nanopartículas luminescentes.

Aplicando nanopartículas upconverting altamente dopadas na superfície de um dispositivo, os pesquisadores conseguiram alcançar termometria de super-alta resolução no nível nanométrico a partir de até 10 milímetros de distância. Segundo Pickel, essa distância é extremamente longa no mundo da microscopia de super-resolução e que as técnicas de imagem biológica que usaram como inspiração tipicamente operam a menos de um milímetro de distância.

Pickel diz que, embora as técnicas de imagem biológica forneçam grande inspiração, aplicá-las à eletrônica teve obstáculos significativos porque envolvem materiais tão diferentes. "Nossos requisitos são muito diferentes dos biólogos porque eles olham para coisas como células e materiais baseados em água," ela disse. "Muitas vezes, eles podem ter um líquido como água ou óleo entre sua lente objetiva e sua amostra. Isso é ótimo para imagem biológica, mas se você está trabalhando com um dispositivo eletrônico, essa é a última coisa que você quer."

O artigo demonstra a técnica usando uma estrutura de aquecedor elétrico que a equipe projetou para produzir gradientes de temperatura agudos, mas Pickel diz que seu método pode ser usado por fabricantes para melhorar uma ampla gama de componentes elétricos. Para melhorar ainda mais o processo, a equipe espera reduzir a potência do laser usada e refinar os métodos para aplicar camadas de nanopartículas nos dispositivos.

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