Door state-of-the-art realistische atomistische modellering en experimenten te combineren, een nieuw artikel beschrijft hoe de thermische geleidbaarheid van een ultradun siliciummembraan voor een groot deel wordt geregeld door de structuur en de chemische samenstelling van het oppervlak. Een gedetailleerd begrip van de verbindingen van fabricage en verwerking met structurele en thermische eigenschappen van laagdimensionale nanostructuren is essentieel voor het ontwerpen van materialen en apparaten voor phononics, thermisch beheer op nanoschaal, en thermo-elektrische toepassingen.

Het vermogen van materialen om warmte te geleiden is een begrip dat we allemaal kennen uit het dagelijks leven. Het moderne verhaal van thermisch transport gaat terug tot 1822 toen de briljante Franse natuurkundige Jean-Baptiste Joseph Fourier zijn boek "Théorie analytique de la chaleur" ("The Analytic Theory of Heat") publiceerde, die een hoeksteen van warmtetransport werd. Hij wees erop dat de thermische geleidbaarheid, d.w.z., verhouding van de warmtestroom tot de temperatuurgradiënt, is een intrinsieke eigenschap van het materiaal zelf.

De komst van nanotechnologie, waar de regels van de klassieke natuurkunde geleidelijk falen naarmate de afmetingen kleiner worden, daagt Fouriers warmtetheorie op verschillende manieren uit. Een paper gepubliceerd in ACS Nano en geleid door onderzoekers van het Max Planck Institute for Polymer Research (Duitsland), het Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology (ICN2) op de campus van de Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) (Spanje) en het VTT Technical Research Centre of Finland (Finland) beschrijft hoe de topologie op nanometerschaal en de chemische samenstelling van het oppervlak controle van de thermische geleidbaarheid van ultradunne siliciummembranen. Het werk werd gefinancierd door het Europese project Membrane-based phonon engineering for energy harvesting (MERGING).

De resultaten laten zien dat de thermische geleidbaarheid van siliciummembranen dunner dan 10 nm 25 keer lager is dan die van bulk kristallijn silicium en voor een groot deel wordt bepaald door de structuur en de chemische samenstelling van hun oppervlak. Het combineren van state-of-the-art realistische atomistische modellering, geavanceerde fabricagetechnieken, nieuwe meetbenaderingen en state-of-the-art parametervrije modellering, onderzoekers ontrafelden de rol van oppervlakte-oxidatie bij het bepalen van de verstrooiing van gekwantiseerde roostertrillingen (fononen), die de belangrijkste warmtedragers in silicium zijn.

Zowel experimenten als modellering toonden aan dat het verwijderen van het oorspronkelijke oxide de thermische geleidbaarheid van silicium nanostructuren met bijna een factor twee verbetert, terwijl opeenvolgende gedeeltelijke re-oxidatie het weer verlaagt. Grootschalige simulaties van moleculaire dynamica met maximaal 1, 000, Met 000 atomen konden de onderzoekers de relatieve bijdragen aan de vermindering van de thermische geleidbaarheid kwantificeren als gevolg van de aanwezigheid van natuurlijk SiO2 en van de vermindering van de dimensionaliteit die werd geëvalueerd voor een model met perfect spiegelende oppervlakken.

Silicium is het materiaal bij uitstek voor bijna alle elektronische toepassingen, waar karakteristieke afmetingen van minder dan 10 nm zijn bereikt, bijv. in FinFET-transistoren, en warmteafvoerregeling wordt essentieel voor hun optimale prestaties. Hoewel de verlaging van de thermische geleidbaarheid veroorzaakt door oxidelagen schadelijk is voor de warmteverspreiding in nano-elektronische apparaten, het zal nuttig worden voor het oogsten van thermo-elektrische energie, waarbij efficiëntie afhankelijk is van het vermijden van warmte-uitwisseling over het actieve deel van het apparaat.

De chemische aard van oppervlakken, daarom, komt naar voren als een nieuwe belangrijke parameter voor het verbeteren van de prestaties van op Si gebaseerde elektronische en thermo-elektrische nanodevices, evenals die van nanomechanische resonatoren (NEMS). Dit werk opent nieuwe mogelijkheden voor nieuwe thermische experimenten en ontwerpen gericht op het manipuleren van warmte op dergelijke schalen.