Combinando modelli atomistici realistici all'avanguardia ed esperimenti, un nuovo articolo descrive come la conduttività termica di una membrana di silicio ultrasottile sia controllata in larga misura dalla struttura e dalla composizione chimica della superficie. Una comprensione dettagliata delle connessioni della fabbricazione e della lavorazione alle proprietà strutturali e termiche delle nanostrutture a bassa dimensionalità è essenziale per progettare materiali e dispositivi per la fononica, gestione termica su scala nanometrica, e applicazioni termoelettriche.

La capacità dei materiali di condurre il calore è un concetto che tutti conosciamo dalla vita di tutti i giorni. La storia moderna del trasporto termico risale al 1822 quando il geniale fisico francese Jean-Baptiste Joseph Fourier pubblicò il suo libro "Théorie analytique de la chaleur" ("The Analytic Theory of Heat"), che divenne una pietra angolare del trasporto di calore. Ha sottolineato che la conducibilità termica, cioè., rapporto tra il flusso di calore e il gradiente di temperatura, è una proprietà intrinseca del materiale stesso.

L'avvento delle nanotecnologie, dove le regole della fisica classica falliscono gradualmente man mano che le dimensioni si riducono, sta sfidando la teoria del calore di Fourier in diversi modi. Un articolo pubblicato su ACS Nano e guidato da ricercatori del Max Planck Institute for Polymer Research (Germania), l'Istituto catalano di nanoscienze e nanotecnologie (ICN2) presso il campus dell'Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) (Spagna) e il Centro di ricerca tecnica VTT della Finlandia (Finlandia) descrive come la topologia su scala nanometrica e la composizione chimica della superficie controllare la conduttività termica delle membrane di silicio ultrasottili. Il lavoro è stato finanziato dal progetto europeo Membrane-based phonon engineering for energy harvesting (MERGING).

I risultati mostrano che la conduttività termica delle membrane di silicio più sottili di 10 nm è 25 volte inferiore a quella del silicio cristallino sfuso ed è controllata in larga misura dalla struttura e dalla composizione chimica della loro superficie. Combinando modelli atomistici realistici all'avanguardia, sofisticate tecniche di fabbricazione, nuovi approcci di misurazione e modellazione all'avanguardia senza parametri, i ricercatori hanno svelato il ruolo dell'ossidazione superficiale nel determinare la diffusione delle vibrazioni del reticolo quantizzato (fononi), quali sono i principali vettori di calore nel silicio.

Sia gli esperimenti che i modelli hanno mostrato che la rimozione dell'ossido nativo migliora la conduttività termica delle nanostrutture di silicio di quasi un fattore due, mentre la successiva riossidazione parziale lo abbassa nuovamente. Simulazioni di dinamica molecolare su larga scala fino a 1, 000, 000 atomi hanno permesso ai ricercatori di quantificare i contributi relativi alla riduzione della conducibilità termica derivanti dalla presenza di SiO2 nativo e dalla riduzione di dimensionalità valutata per un modello con superfici perfettamente speculari.

Il silicio è il materiale di scelta per quasi tutte le applicazioni relative all'elettronica, dove sono state raggiunte dimensioni caratteristiche inferiori a 10 nm, per esempio. nei transistor FinFET, e il controllo della dissipazione del calore diventa essenziale per le loro prestazioni ottimali. Mentre l'abbassamento della conduttività termica indotto dagli strati di ossido è dannoso per la diffusione del calore nei dispositivi nanoelettronici, tornerà utile per la raccolta di energia termoelettrica, dove l'efficienza si basa sull'evitare lo scambio di calore attraverso la parte attiva del dispositivo.

La natura chimica delle superfici, perciò, emerge come un nuovo parametro chiave per migliorare le prestazioni dei nanodispositivi elettronici e termoelettrici a base di Si, nonché di quella dei risonatori nanomeccanici (NEMS). Questo lavoro apre nuove possibilità per nuovi esperimenti e progetti termici diretti a manipolare il calore su tali scale.