Door tweedimensionale materialen die in nano-elektronische apparaten worden gebruikt tussen hun driedimensionale siliciumbases en een ultradunne laag aluminiumoxide te plaatsen, kan het risico op defecte onderdelen als gevolg van oververhitting aanzienlijk worden verminderd, volgens een nieuwe studie gepubliceerd in het tijdschrift van Geavanceerde materialen geleid door onderzoekers van de Universiteit van Illinois aan het Chicago College of Engineering.

Veel van de hedendaagse elektronische componenten op basis van silicium bevatten 2D-materialen zoals grafeen. Door 2D-materialen zoals grafeen, dat is samengesteld uit een enkel atoom dikke laag koolstofatomen, in deze componenten op te nemen, kunnen ze verschillende ordes van grootte kleiner zijn dan wanneer ze gemaakt zouden zijn met conventionele, 3D materialen. In aanvulling, 2D-materialen maken ook andere unieke functionaliteiten mogelijk. Maar nano-elektronische componenten met 2D-materialen hebben een achilleshiel:ze zijn gevoelig voor oververhitting. Dit komt door de slechte warmtegeleiding van 2D-materialen naar de siliciumbasis.

"Op het gebied van nano-elektronica, de slechte warmteafvoer van 2D-materialen is een knelpunt geweest om hun potentieel volledig te realiseren door de productie van steeds kleinere elektronica mogelijk te maken met behoud van functionaliteit, " zei Amin Salehi-Khojin, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde en industriële techniek aan UIC's College of Engineering.

Een van de redenen waarom 2D-materialen warmte niet efficiënt naar silicium kunnen overbrengen, is dat de interacties tussen de 2D-materialen en silicium in componenten zoals transistors nogal zwak zijn.

"De bindingen tussen de 2D-materialen en het siliciumsubstraat zijn niet erg sterk, dus wanneer warmte zich ophoopt in het 2D-materiaal, het creëert hotspots die oververhitting en apparaatstoringen veroorzaken, " legde Zahra Hemmat uit, een afgestudeerde student aan het UIC College of Engineering en co-eerste auteur van het papier.

Om de verbinding tussen het 2-D-materiaal en de siliciumbasis te verbeteren om de warmtegeleiding weg van het 2-D-materiaal in het silicium te verbeteren, ingenieurs hebben geëxperimenteerd met het toevoegen van een extra ultradunne laag materiaal bovenop de 2D-laag - in feite een "nano-sandwich" creërend met de siliconenbasis en ultradun materiaal als het "brood".

"Door nog een 'omhullende' laag bovenop het 2D-materiaal toe te voegen, we hebben de energieoverdracht tussen het 2D-materiaal en de siliciumbasis kunnen verdubbelen, ' zei Salehi-Khojin.

Salehi-Khojin en zijn collega's creëerden een experimentele transistor met siliciumoxide voor de basis, carbide voor het 2D-materiaal en aluminiumoxide voor het omhulmateriaal. Op kamertemperatuur, de onderzoekers zagen dat de warmtegeleiding van het carbide naar de siliciumbasis twee keer zo hoog was met de toevoeging van de aluminiumoxidelaag als zonder.

"Hoewel onze transistor een experimenteel model is, het bewijst dat door het toevoegen van een extra, inkapselingslaag aan deze 2D nano-elektronica, we kunnen de warmteoverdracht naar de siliciumbasis aanzienlijk verhogen, die een grote bijdrage leveren aan het behoud van de functionaliteit van deze componenten door de kans op doorbranden te verkleinen, "zei Salehi-Khojin. "Onze volgende stappen omvatten het testen van verschillende inkapselingslagen om te zien of we de warmteoverdracht verder kunnen verbeteren."