I chip dei computer odierni racchiudono miliardi di minuscoli transistor su una piastra di silicio della larghezza di un'unghia. Ogni transistor, solo decine di nanometri di larghezza, funge da interruttore che, di concerto con altri, esegue i calcoli di un computer. Mentre fitte foreste di transistor segnalano avanti e indietro, emettono calore, che può friggere l'elettronica, se un chip diventa troppo caldo.

I produttori comunemente applicano una teoria della diffusione classica per misurare l'aumento di temperatura di un transistor in un chip di computer. Ma ora un esperimento degli ingegneri del MIT suggerisce che questa teoria comune non regge su scale di lunghezza estremamente ridotte. I risultati del gruppo indicano che la teoria della diffusione sottovaluta l'aumento della temperatura delle fonti di calore su scala nanometrica, come i transistor di un chip di computer. Un simile errore di calcolo potrebbe influire sull'affidabilità e sulle prestazioni dei chip e di altri dispositivi microelettronici.

"Abbiamo verificato che quando la fonte di calore è molto piccola, non è possibile utilizzare la teoria della diffusione per calcolare l'aumento di temperatura di un dispositivo. L'aumento della temperatura è superiore alla previsione di diffusione, e nella microelettronica, non vuoi che succeda, "dice il professor Gang Chen, capo del Dipartimento di Ingegneria Meccanica del MIT. "Quindi questo potrebbe cambiare il modo in cui le persone pensano a come modellare i problemi termici nella microelettronica".

Il gruppo, tra cui lo studente laureato Lingping Zeng e la professoressa dell'Istituto Mildred Dresselhaus del MIT, Yongjie Hu dell'Università della California a Los Angeles, e Austin Minnich di Caltech, ha pubblicato i suoi risultati questa settimana sulla rivista Nanotecnologia della natura .

Phonon significa distribuzione del percorso libero

Chen e i suoi colleghi sono giunti alla loro conclusione dopo aver ideato un esperimento per misurare la distribuzione del "percorso libero medio" dei portatori di calore in un materiale. Nei semiconduttori e nei dielettrici, il calore scorre tipicamente sotto forma di fononi, particelle simili a onde che trasportano calore attraverso un materiale e subiscono varie dispersioni durante la loro propagazione. Il cammino libero medio di un fonone è la distanza che un fonone può trasportare calore prima di entrare in collisione con un'altra particella; più lungo è il percorso libero medio di un fonone, meglio è in grado di trasportare, o condotta, calore.

Poiché il percorso libero medio può variare da fonone a fonone in un dato materiale, da diversi nanometri a micron, il materiale mostra una distribuzione del percorso libero medio, o gamma. Chen, il Professor Carl Richard Soderberg in Ingegneria Energetica al MIT, riteneva che la misurazione di questa distribuzione avrebbe fornito un quadro più dettagliato della capacità di trasporto del calore di un materiale, consentire ai ricercatori di progettare materiali, Per esempio, utilizzando nanostrutture per limitare la distanza percorsa dai fononi.

Il gruppo ha cercato di stabilire un quadro e uno strumento per misurare la distribuzione del percorso libero medio in una serie di materiali tecnologicamente interessanti. Esistono due regimi di trasporto termico:regime diffusivo e regime quasi balistico. Il primo restituisce la conduttività termica di massa, che maschera l'importante distribuzione del cammino libero medio. Per studiare i percorsi liberi medi dei fononi, i ricercatori si sono resi conto che avrebbero avuto bisogno di una piccola fonte di calore rispetto al percorso libero medio dei fononi per accedere al regime quasi balistico, poiché fonti di calore più grandi mascherano essenzialmente gli effetti dei singoli fononi.

La creazione di fonti di calore su scala nanometrica è stata una sfida significativa:i laser possono essere focalizzati solo su un punto delle dimensioni della lunghezza d'onda della luce, circa un micron, più di 10 volte la lunghezza del cammino libero medio in alcuni fononi. Per concentrare l'energia della luce laser in un'area ancora più fine, la squadra ha modellato punti in alluminio di varie dimensioni, da decine di micrometri fino a 30 nanometri, sulla superficie del silicio, lega di silicio germanio, arseniuro di gallio, nitruro di gallio, e zaffiro. Ogni punto assorbe e concentra il calore di un laser, che poi scorre attraverso il materiale sottostante come fononi.

Nei loro esperimenti, Chen e i suoi colleghi hanno utilizzato la microfabbricazione per variare le dimensioni dei punti di alluminio, e ha misurato il decadimento di un laser a impulsi riflesso dal materiale, una misura indiretta della propagazione del calore nel materiale. Hanno scoperto che man mano che le dimensioni della fonte di calore si riducono, l'aumento di temperatura si discosta dalla teoria della diffusione.

Lo interpretano come i punti metallici, che sono fonti di calore, diventare più piccolo, i fononi che lasciano i punti tendono a diventare "balistici, " sparando sul materiale sottostante senza disperdersi. In questi casi, tali fononi non contribuiscono molto alla conduttività termica di un materiale. Ma per fonti di calore molto più grandi che agiscono sullo stesso materiale, i fononi tendono a scontrarsi con altri fononi e si disperdono più spesso. In questi casi, diventa valida la teoria della diffusione attualmente in uso.

Un'immagine dettagliata del trasporto

Per ogni materiale, i ricercatori hanno tracciato una distribuzione dei percorsi liberi medi, ricostruito dalla conducibilità termica dipendente dalla dimensione del riscaldatore di un materiale. Globale, hanno osservato il nuovo quadro anticipato della conduzione del calore:mentre il comune, la teoria della diffusione classica è applicabile a grandi fonti di calore, fallisce per piccole fonti di calore. Variando le dimensioni delle fonti di calore, Chen e i suoi colleghi possono mappare la distanza percorsa dai fononi tra le collisioni, e quanto contribuiscono alla conduzione del calore.

Zeng afferma che la configurazione sperimentale del gruppo può essere utilizzata per capire meglio, e potenzialmente sintonizzare, la conduttività termica di un materiale. Per esempio, se un ingegnere desidera un materiale con determinate proprietà termiche, la distribuzione del percorso libero medio potrebbe servire come modello per progettare specifici "centri di dispersione" all'interno del materiale:posizioni che provocano collisioni fononiche, a sua volta disperdendo la propagazione del calore, portando a una ridotta capacità di trasporto del calore. Sebbene tali effetti non siano desiderabili per mantenere fresco un chip per computer, sono adatti nei dispositivi termoelettrici, che convertono il calore in elettricità. Per tali applicazioni, sono desiderati materiali elettricamente conduttivi ma termicamente isolanti.

"L'importante è che abbiamo uno strumento di spettroscopia per misurare la distribuzione del cammino libero medio, e che la distribuzione è importante per molte applicazioni tecnologiche, " dice Zeng.