Thermométrie révolutionnaire : détection de points chauds nanoscopiques dans les composants électroniques

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JUSQU'AU FIL : Des chercheurs de Rochester ont démontré leurs techniques de thermométrie à super-haute résolution sur une structure de chauffage électrique que l'équipe a conçue pour produire de forts gradients de température. (Image : Université de Rochester / J. Adam Fenster)

Lorsque des appareils électroniques comme les ordinateurs portables ou les smartphones surchauffent, ils souffrent fondamentalement d'un problème de transfert de chaleur à l'échelle nanométrique. Identifier la source de ce problème revient à chercher une aiguille dans une botte de foin.

« Les éléments constitutifs de notre électronique moderne sont des transistors aux caractéristiques nanométriques, donc pour comprendre quelles parties surchauffent, la première étape est d'obtenir une carte de température détaillée », explique Andrea Pickel, professeure adjointe au Département de génie mécanique de l'Université de Rochester et scientifique au Laboratoire d'énergétique laser. « Mais il faut quelque chose avec une résolution nanométrique pour y parvenir. »

Les techniques existantes de thermométrie optique sont impraticables car elles ont des limites fondamentales sur la résolution spatiale qu'elles peuvent atteindre. Pickel et ses doctorants en science des matériaux Ziyang Ye et Benjamin Harrington ont conçu une nouvelle approche pour surmonter ces limitations en exploitant les techniques de microscopie à fluorescence super-résolution, lauréates du prix Nobel de chimie, utilisées en imagerie biologique. Dans une nouvelle étude publiée dans Science Advances, les chercheurs décrivent leur procédé de cartographie du transfert de chaleur utilisant des nanoparticules luminescentes.

En appliquant des nanoparticules upconvertissantes hautement dopées à la surface d'un dispositif, les chercheurs ont réussi à réaliser une thermométrie à super-haute résolution à l'échelle nanométrique depuis une distance allant jusqu'à 10 millimètres. Selon Pickel, cette distance est extrêmement grande dans le monde de la microscopie super-résolution, les techniques d'imagerie biologique qui les ont inspirées opérant généralement à moins d'un millimètre.

Pickel souligne que si les techniques d'imagerie biologique fournissent une grande inspiration, les appliquer à l'électronique présente des obstacles significatifs car elles impliquent des matériaux si différents. « Nos exigences sont très différentes des biologistes car ils regardent des choses comme les cellules et les matériaux à base d'eau », dit-elle. « Souvent, ils peuvent avoir un liquide comme de l'eau ou de l'huile entre leur lentille d'objectif et leur échantillon. C'est génial pour l'imagerie biologique, mais si vous travaillez avec un dispositif électronique, c'est la dernière chose que vous voulez. »

L'article démontre la technique en utilisant une structure de chauffage électrique que l'équipe a conçue pour produire de forts gradients de température, mais Pickel affirme que leur méthode peut être utilisée par les fabricants pour améliorer une large gamme de composants électriques. Pour améliorer davantage le procédé, l'équipe espère réduire la puissance laser utilisée et affiner les méthodes d'application des couches de nanoparticules sur les dispositifs.

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