This study aims to investigate both theoretical and experimental aspects of thermal transport within thin metal films through the mediation of surface plasmon polaritons (SPPs), a type of surface electromagnetic wave arising from the interaction between photons and free electrons. We first experimentally demonstrated boosted in-plane thermal conduction by SPPs propagating along a thin Ti film on a SiO2 substrate. Due to the lossy nature of metal, SPPs can propagate over centimeter-scale distances even along a supported metal film, and the resulting ballistic heat conduction can be quantitatively validated. Further, for a 100-nm-thick Ti film on a SiO2 substrate, a significant enhancement of in-plane thermal conductivity compared to bulk value (~25%) is experimentally shown. Then, we investigated the in-plane thermal conductivity of SPPs propagating along thin noble metal (Au and Ag) films on a SiO2 substrate with a Ti adhesive layer. Our theoretical predictions revealed a decrease of approximately 30% in plasmon thermal conductivity when considering the size effect of the permittivity of thin metal films. By fabricating a sample with the optimal thickness of Au and Ag films, we experimentally demonstrated that the plasmon thermal conductivity of Au and Ag films can be as high as about 20% of their electron contribution. Also, the study employed theoretical validation through fluctuational electrodynamics, which take account of the full-wave nature of surface electromagnetic waves, to substantiate the concept of ballistic heat transport via SPPs. It encompassed the calculation of the heat flux carried by electromagnetic waves along metal films, examining its dependence on film thickness, and comparing these outcomes with results derived from kinetic theory. This study opens new avenues for leveraging SPPs in the context of device-level thermal management of electrical devices by validating the thermal transport of SPPs. These insights can be readily applied to address and mitigate thermal hot-spot issues in microelectronics.
본 연구는 금속 박막의 표면에서 광자와 전자가 강하게 결합되어 발현되는 표면 플라즈몬 폴라리톤에 의한 열전달 특성에 대하여 분석한다. 먼저 유리 기판 위에 증착된 티타늄 박막에서 표면 플라즈몬 폴라리톤에 의해 향상되는 면 방향 열전도도를 실험적으로 측정하였다. 적외선 영역 전자기파의 손실이 큰 티타늄의 특성으로 인해 지지체 티타늄 박막에서 표면 플라즈몬 폴라리톤은 센티미터 스케일의 전파길이를 가지게 되며, 이는 박막 내 면 방향 열전달량의 확연한 상승을 유도한다. 100 나노미터 두께의 티타늄 박막에서는 본래 열전도도의 25% 이상의 면 방향 열전도도 향상을 실험적으로 입증하였다. 두 번째로 유리 기판 위에 접착층과 함께 증착된 금과 은과 같은 귀금속 박막의 플라즈몬 열전도도에 대한 측정을 수행하였다. 금과 은 박막의 두께 감소에 따른 유전율의 변화로 인해 플라즈몬 열전도도가 약 30% 까지 감소할 수 있음을 이론적으로 입증하였다. 이론적으로 도출한 최적 두께의 금과 은 박막의 경우 그들의 전자 열전도도의 20%까지 플라즈몬 열전도도가 향상될 수 있음을 실험적으로 보였다. 마지막으로, 본 연구는 전자기파의 파동적 특성을 고려한 변동 전기 역학을 이용하여 금속 박막의 열적 자극에 의한 표면 플라즈몬 폴라리톤의 발현이 가능함을 입증하였다. 이를 위해 박막의 두께에 따른 플라즈몬 열전도도를 서로 다른 두 방법, 변동 전기 역학과 운동 이론으로 계산하고 비교하였다. 본 연구는 금속 박막에서의 표면 플라즈몬 폴라리톤에 의한 열전달을 규명하여 미세기전소자의 장치 수준에서의 열관리에 사용될 새로운 열전달 채널을 제안하며, 장치 수준에서의 나노 스케일 열분산기 설계에 활용될 수 있을 것으로 예상된다.
