Trovare modi per gestire il flusso di calore nel silicio potrebbe aumentare le prestazioni dei semiconduttori, ma, finora, scoprire il design giusto è rimasto inafferrabile. Ora, un team di ricercatori della Penn State riferisce che una tecnica di fabbricazione può offrire un percorso verso la padronanza del flusso spesso caotico di vettori di calore su scala nanometrica nel silicio e in altri semiconduttori.

In uno studio, i ricercatori hanno utilizzato i supercomputer per testare un progetto che inserisce fori di dimensioni nanometriche in un semiconduttore di silicio e hanno scoperto che il modello risultante, che consiste in inclusioni di forma sferica uniformemente distribuite potrebbe influenzare notevolmente la capacità di incanalare il calore tramite vibrazioni atomiche chiamate fononi. Le inclusioni sono fori con un raggio compreso tra 7 e 30 nanometri. A titolo di confronto, un capello umano è circa 80, 000 nanometri di larghezza.

I ricercatori hanno aggiunto che questo è un passo significativo verso la comprensione di come controllare il flusso di calore attraverso i semiconduttori di silicio e, un giorno, migliorare le prestazioni di quei chip.

Il controllo del flusso di calore è difficile a causa del modo in cui i fononi rimbalzano attraverso i materiali a determinate scale, disse Ismaila Dabo, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali.

"Quando guardi il calore dal livello dell'essere fatto di fononi, le particelle che conducono il calore, ti rendi subito conto che questi fononi possono arrivare solo fino a un certo punto senza essere deviati, " disse Dabo, che è anche socio dell'Institute of Computational and Data Sciences (ICDS), che gestisce il supercomputer su cui è stata condotta la ricerca del team. "Così, c'è solo una distanza limitata che un fonone può percorrere nel materiale e quella distanza è dell'ordine di 50 nanometri a 1, 000 nanometri per la maggior parte dei materiali."

Quando la geometria delle strutture realizzate con questi materiali è dell'ordine di queste scale di lunghezza, il comportamento dei fononi diventa più complicato, secondo Brian Foley, professore assistente di ingegneria meccanica.

"Negli ultimi decenni le persone hanno cercato di progettare materiali a bassa conduttività termica per cose come materiali termoelettrici e rivestimenti a barriera termica, " ha detto Foley. "Questo lavoro mostra che se si continua questo approccio nanostrutturato nel regime sub-10 nm in un sistema geometrico ordinato, si passa attraverso una conduttività termica minima e quindi si recuperano rapidamente le proprietà di massa poiché le inclusioni continuano a ridursi e alla fine scompaiono. Ora, essere in grado di accedere all'altro lato di quel minimo, Penso che stia diventando più interessante perché possiamo progettare materiali con conduttività termica più sensibili ai parametri dimensionali".

Sebbene questo lavoro rappresenti un passo importante, è ancora solo un primo passo, secondo i ricercatori, che riportano le loro scoperte in un recente numero di ACS Nano . Però, potrebbe aprire altre possibilità, oltre i miglioramenti del chip del computer, nel futuro. Il disegno potrebbe, Per esempio, aiutano a convertire il calore che altrimenti potrebbe essere sprecato in energia utilizzabile.

"Questo stabilisce un obiettivo per il prossimo decennio o giù di lì, Credo, utilizzare sistemi avanzati come questi per progettare equivalenti termici a dispositivi elettrici, come diodi e transistor, "Ha detto Foley. "Scavenging calore e aiutare l'efficienza energetica sarebbero i vantaggi più diretti di questi dispositivi termici-calcolo fononi e calcolo termico sono altri modi in cui potrebbero essere utilizzati."

I ricercatori hanno affermato che il lavoro aiuta anche altri scienziati a esplorare il mondo spesso strano del lavoro con i fononi. Mentre la maggior parte delle persone si rende conto che elettroni e fotoni possono esibire comportamenti sia ondulatori che particellari, potrebbero non sapere che i fononi hanno una qualità simile, disse Weinan Chen, assistente di ricerca laureato e co-primo autore del documento.

"Sappiamo che un elettrone può essere una particella o un'onda, che è il fondamento della fisica moderna, " ha detto Chen. "Lo stesso concetto si applica ai fononi. Può essere visto come una particella e può essere visto come un'onda. In questo caso, non trasporta più elettricità, è una corrente di calore. Così, questo è molto sensibile alla temperatura e al modo in cui la temperatura viene distribuita attraverso il materiale".

A differenza degli elettroni e dei fotoni, i fononi devono esistere in uno stato di materia condensata, il che dà ai ricercatori che studiano i fononi molti grattacapi.

"A volte pensiamo che il mondo dell'elettronica ce l'abbia fatta, con percorsi conduttivi ben definiti e "gas" che interagiscono debolmente di elettroni e buchi che raramente si vedono l'un l'altro, " disse Foley. "Ma, il flusso di calore può essere più difficile da studiare in quanto è difficile da confinare e va ovunque; per non parlare della complessità dei fononi che rimbalzano l'uno nell'altro, rimbalzano su altre cose. È una rete interconnessa di diafonia e collisioni; può essere un gran casino".

Disha Talreja, dottorando e co-autore dell'opera, condivide questo sentimento, dicendo che misurare il flusso di calore in queste strutture complicate è stato molto gratificante. Detto Talreja, "Sintetizzare pori di dimensioni nanometriche in modo ordinato in materiali come il silicio ed essere in grado di catturare sperimentalmente la diffusione teoricamente prevista dei fononi attraverso di essi è stato davvero un viaggio emozionante".

Dabo e Foley hanno aggiunto che la capacità di progettare con precisione queste nanostrutture, o sintonizzabilità, non sarebbe stata possibile senza le tecniche di nanofabbricazione sviluppate dal compianto John Badding.

"Il processo di fabbricazione, per me, è strabiliante, " ha detto Foley. "Ciò che John Badding ha sviluppato è dirompente in quanto è una strada completamente nuova per la progettazione di strutture termiche. Spero che possiamo contribuire a rendere questa parte della sua eredità sia per la chimica che per le scienze più ampie".