Het vinden van manieren om de warmtestroom in silicium te beheersen, zou de prestaties van halfgeleiders kunnen verbeteren, maar, tot dusver, het vinden van het juiste ontwerp is ongrijpbaar gebleven. Nutsvoorzieningen, een team van Penn State-onderzoekers meldt dat een fabricagetechniek een weg kan bieden naar het beheersen van de vaak chaotische stroom van warmtedragers op nanoschaal in silicium en andere halfgeleiders.

In een onderzoek, de onderzoekers gebruikten supercomputers om een ​​ontwerp te testen dat gaten ter grootte van een nanometer in een siliciumhalfgeleider plaatst en ontdekten dat het resulterende model, die bestaat uit gelijkmatig verdeelde bolvormige insluitsels, zou het vermogen om warmte te kanaliseren drastisch kunnen beïnvloeden via atomaire trillingen die fononen worden genoemd. De insluitsels zijn gaatjes met een straal van 7 tot 30 nanometer. Ter vergelijking, een mensenhaar is ongeveer 80, 000 nanometer breed.

De onderzoekers voegden eraan toe dat dit een belangrijke stap is om te begrijpen hoe de warmtestroom door siliciumhalfgeleiders kan worden gecontroleerd en, op een dag, het verbeteren van de prestaties van die chips.

Het regelen van de warmtestroom is moeilijk vanwege de manier waarop fononen op bepaalde schalen door materialen heen ketsen, zei Ismaila Dabo, universitair hoofddocent materiaalkunde en techniek.

"Als je naar warmte kijkt vanaf het niveau dat ze gemaakt zijn van fononen, de deeltjes die warmte geleiden, je realiseert je snel dat deze fononen maar zo ver kunnen gaan zonder te worden afgebogen, " zei Dabo, die ook een medewerker is van het Institute of Computational and Data Sciences (ICDS), die de supercomputer bedient waarop het onderzoek van het team is uitgevoerd. "Dus, er is maar een beperkte afstand die een fonon in het materiaal kan afleggen en die afstand is in de orde van 50 nanometer tot 1, 000 nanometer voor de meeste materialen."

Wanneer de geometrie van de constructies gemaakt met deze materialen in de orde van deze lengteschalen is, het gedrag van fononen wordt ingewikkelder, volgens Brian Foley, universitair docent werktuigbouwkunde.

"In de afgelopen decennia hebben mensen geprobeerd materialen met een lager warmtegeleidingsvermogen te ontwikkelen voor zaken als thermo-elektriciteit en thermische barrièrecoatings, " zei Foley. "Dit werk laat zien dat als je deze nanogestructureerde benadering voortzet in het sub-10 nm-regime in een geordend geometrisch systeem, u gaat door een minimale thermische geleidbaarheid en herstelt vervolgens snel de bulkeigenschappen terwijl de insluitsels blijven krimpen en uiteindelijk verdwijnen. Nutsvoorzieningen, de andere kant van dat minimum kunnen bereiken, Ik denk dat het interessanter wordt omdat we materialen kunnen ontwerpen met thermische geleidbaarheid die gevoeliger zijn voor grootteparameters."

Hoewel dit werk een belangrijke stap is, het is nog maar een eerste stap, volgens de onderzoekers die hun bevindingen rapporteren in een recent nummer van ACS Nano . Echter, het zou andere mogelijkheden kunnen openen, verder dan verbeteringen aan computerchips, in de toekomst. Het ontwerp kon, bijvoorbeeld, helpen om warmte die anders verloren zou gaan om te zetten in bruikbare energie.

"Dit stelt een doel voor het komende decennium of zo, Ik geloof, om geavanceerde systemen zoals deze te gebruiken om thermische equivalenten van elektrische apparaten te ontwikkelen, zoals diodes en transistors, "zei Foley. "Het opvangen van warmte en het helpen van energie-efficiëntie zouden de meest directe voordelen zijn van deze thermische apparaten - fonon-computing en thermische computing zijn andere manieren waarop ze kunnen worden gebruikt."

De onderzoekers zeiden dat het werk ook andere wetenschappers helpt de vaak vreemde wereld van het werken met fononen te verkennen. Hoewel de meeste mensen beseffen dat elektronen en fotonen zowel golfachtig als deeltjesachtig gedrag kunnen vertonen, ze weten misschien niet dat fononen een vergelijkbare kwaliteit hebben, zei Weinan Chen, afgestudeerd onderzoeksassistent en co-eerste auteur van het papier.

"We weten dat een elektron een deeltje of een golf kan zijn, die de basis vormt van de moderne natuurkunde, "zei Chen. "Hetzelfde concept is van toepassing op fononen. Het kan worden gezien als een deeltje en het kan worden gezien als een golf. In dit geval, het transporteert geen elektriciteit meer, het is een warmtestroom. Dus, dit is erg gevoelig voor temperatuur en hoe de temperatuur door het materiaal wordt verdeeld."

In tegenstelling tot elektronen en fotonen, fononen moeten in een toestand van gecondenseerde materie bestaan, wat onderzoekers die fononen bestuderen veel hoofdpijn bezorgt.

"We denken soms dat de elektronicawereld het heeft gemaakt - met goed gedefinieerde geleidende paden en zwak-interagerende 'gassen' van elektronen en gaten die elkaar zelden zien, "zei Foley. "Maar, warmtestroom kan moeilijker te bestuderen zijn omdat het moeilijk te beperken is en gewoon overal naartoe gaat; om nog maar te zwijgen van de fijne kneepjes van fononen als ze in elkaar stuiteren, ze stuiteren op andere dingen. Het is een onderling verbonden netwerk van overspraak en botsingen; het kan een grote puinhoop zijn."

Disha Talreja, promovendus en co-eerste auteur van het werk, deelt dit gevoel, zeggen dat het meten van de warmtestroom in deze gecompliceerde constructies zeer de moeite waard was. zei Talreja, "Het op een geordende manier synthetiseren van poriën van nanometerformaat in materialen zoals silicium en het experimenteel kunnen vastleggen van theoretisch voorspelde diffusie van fononen daardoor was inderdaad een opwindende reis."

Dabo en Foley voegden eraan toe dat het vermogen om deze nanostructuren - of afstembaarheid - nauwkeurig te ontwerpen, niet mogelijk zou zijn geweest zonder nanofabricagetechnieken die zijn ontwikkeld door wijlen John Badding.

"Het fabricageproces, naar mij, is geestverruimend, " zei Foley. "Wat John Badding heeft ontwikkeld, is ontwrichtend omdat het een geheel nieuwe weg is voor het ontwerpen van thermische constructies. Ik hoop dat we kunnen helpen dit deel van zijn nalatenschap te maken voor zowel de chemische als bredere wetenschappen."