Gli scienziati hanno dimostrato un nuovo materiale che conduce il calore in modo più efficiente del 150% rispetto ai materiali convenzionali utilizzati nelle tecnologie avanzate dei chip.

Il dispositivo, un nanofilo di silicio ultrasottile, potrebbe consentire una microelettronica più piccola e veloce con un'efficienza di trasferimento del calore che supera le tecnologie attuali. I dispositivi elettronici alimentati da microchip che dissipano il calore in modo efficiente consumerebbero a loro volta meno energia, un miglioramento che potrebbe aiutare a mitigare il consumo di energia prodotta dalla combustione di combustibili fossili ricchi di carbonio che hanno contribuito al riscaldamento globale.

"Superando i limiti naturali del silicio nella sua capacità di condurre il calore, la nostra scoperta affronta un ostacolo nell'ingegneria dei microchip", ha affermato Junqiao Wu, lo scienziato che ha guidato le Lettere di revisione fisica studio che segnala il nuovo dispositivo. Wu è uno scienziato della facoltà della divisione di scienze dei materiali e professore di scienza dei materiali e ingegneria alla UC Berkeley.

Il calore scorre lento attraverso il silicio

La nostra elettronica è relativamente conveniente perché il silicio, il materiale preferito per i chip dei computer, è economico e abbondante. Ma sebbene il silicio sia un buon conduttore di elettricità, non è un buon conduttore di calore quando è ridotto a dimensioni molto piccole e quando si tratta di elaborazione veloce, ciò rappresenta un grosso problema per i minuscoli microchip.

All'interno di ogni microchip risiedono decine di miliardi di transistor al silicio che dirigono il flusso di elettroni dentro e fuori le celle di memoria, codificando bit di dati come uno e zero, il linguaggio binario dei computer. Le correnti elettriche scorrono tra questi transistor laboriosi e queste correnti generano inevitabilmente calore.

Il calore scorre naturalmente da un oggetto caldo a un oggetto freddo. Ma il flusso di calore diventa complicato nel silicio.

Nella sua forma naturale, il silicio è costituito da tre diversi isotopi, forme di un elemento chimico contenente un numero uguale di protoni ma un numero diverso di neutroni (quindi di massa diversa) nei loro nuclei.

Circa il 92% del silicio è costituito dall'isotopo silicio-28, che ha 14 protoni e 14 neutroni; circa il 5% è silicio-29, con un peso di 14 protoni e 15 neutroni; e solo il 3% è silicio-30, un peso massimo relativo con 14 protoni e 16 neutroni, ha spiegato il coautore Joel Ager, che detiene i titoli di scienziato senior nella divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab e professore a contratto di scienza dei materiali e ingegneria alla UC Berkeley.

Poiché i fononi, le onde di vibrazione atomica che trasportano il calore, si fanno strada attraverso la struttura cristallina del silicio, la loro direzione cambia quando si scontrano con il silicio-29 o il silicio-30, le cui diverse masse atomiche "confondono" i fononi, rallentandoli.

"I fononi alla fine hanno l'idea e trovano la strada verso l'estremità fredda per raffreddare il materiale di silicio", ma questo percorso indiretto consente l'accumulo di calore di scarto, che a sua volta rallenta anche il computer, ha detto Ager.

Un grande passo avanti verso una microelettronica più veloce e densa

Per molti decenni, i ricercatori hanno teorizzato che i chip realizzati in puro silicio-28 avrebbero superato il limite di conducibilità termica del silicio e quindi avrebbero migliorato le velocità di elaborazione della microelettronica più piccola e densa.

Ma la purificazione del silicio fino a un singolo isotopo richiede livelli intensi di energia che pochi impianti possono fornire e ancora meno sono specializzati nella produzione di isotopi pronti per il mercato, ha affermato Ager.

Fortunatamente, un progetto internazionale dei primi anni 2000 ha consentito ad Ager e al principale esperto di materiali semiconduttori Eugene Haller di procurarsi gas tetrafluoruro di silicio, il materiale di partenza per il silicio purificato isotopicamente, da un ex impianto di produzione di isotopi dell'era sovietica.

Ciò ha portato a una serie di esperimenti pionieristici, tra cui uno studio del 2006 pubblicato su Natura , per cui Ager e Haller hanno modellato il silicio-28 in cristalli singoli, che hanno usato per dimostrare che la memoria quantistica memorizza informazioni come bit quantistici o qubit, unità di dati memorizzate contemporaneamente come uno e zero nello spin di un elettrone.

Successivamente, è stato dimostrato che film sottili semiconduttori e cristalli singoli realizzati con materiale isotopico di silicio di Ager e Haller hanno una conduttività termica superiore del 10% rispetto al silicio naturale, un miglioramento, ma dal punto di vista dell'industria informatica, probabilmente non sufficiente a giustificare la spesa di mille volte più soldi per costruire un computer con silicio isotopicamente puro, ha detto Ager.

Ma Ager sapeva che i materiali degli isotopi di silicio erano di importanza scientifica al di là del calcolo quantistico. Quindi ha tenuto ciò che era rimasto in un posto sicuro al Berkeley Lab, nel caso in cui altri scienziati potessero averne bisogno, perché poche persone hanno le risorse per produrre o addirittura acquistare silicio isotopicamente puro, ha ragionato.

Un percorso verso una tecnologia più fredda con il silicio-28

Circa tre anni fa, Wu e il suo studente laureato Penghong Ci stavano cercando di trovare nuovi modi per migliorare la velocità di trasferimento del calore nei chip di silicio.

Una strategia per rendere i transistor più efficienti prevede l'utilizzo di un tipo di nanofilo chiamato Gate-All-Around Field Effect Transistor. In questi dispositivi, i nanofili di silicio sono impilati per condurre elettricità e il calore viene generato contemporaneamente, ha spiegato Wu. "E se il calore generato non viene estratto rapidamente, il dispositivo smetterà di funzionare, come un allarme antincendio che suona in un edificio alto senza una mappa di evacuazione", ha affermato.

Ma il trasporto di calore è ancora peggiore nei nanofili di silicio, perché le loro superfici ruvide, cicatrici dovute a processi chimici, diffondono o "confondono" i fononi ancora di più, ha spiegato.

"E poi un giorno ci siamo chiesti:'Cosa accadrebbe se realizzassimo un nanofilo di silicio-28 isotopicamente puro?'", Ha detto Wu.

Gli isotopi di silicio non sono qualcosa che si può facilmente acquistare sul mercato aperto, e si diceva che Ager avesse ancora alcuni cristalli di isotopi di silicio in deposito al Berkeley Lab, non molti, ma comunque abbastanza da condividere "se qualcuno ha una grande idea su come per usarlo", ha detto Ager. "E il nuovo studio di Junqiao è stato un caso del genere."

Una grande rivelazione sorprendente con i nano test

"Siamo davvero fortunati che Joel abbia avuto il materiale di silicio arricchito isotopicamente pronto per l'uso per lo studio", ha detto Wu.

Utilizzando i materiali isotopi di silicio di Ager, il team di Wu ha testato la conduttività termica in cristalli di silicio-28 sfusi di dimensioni pari a 1 millimetro rispetto al silicio naturale e, ancora una volta, il loro esperimento ha confermato ciò che Ager e i suoi collaboratori hanno scoperto anni fa:che il silicio-28 sfuso conduce calore solo il 10% in più rispetto al silicio naturale.

Ora per il test nano. Utilizzando una tecnica chiamata incisione chimica, Ci ha realizzato nanofili di silicio naturale e silicio-28 di appena 90 nanometri (miliardesimi di metro) di diametro, circa mille volte più sottili di una singola ciocca di capelli umani.

Per misurare la conduttività termica, Ci ha sospeso ciascun nanofilo tra due cuscinetti microriscaldatori dotati di elettrodi di platino e termometri, quindi ha applicato una corrente elettrica all'elettrodo per generare calore su un pad che scorre nell'altro pad tramite il nanofilo.

"Ci aspettavamo di vedere solo un vantaggio incrementale, qualcosa come il 20%, dell'utilizzo di materiale isotopicamente puro per la conduzione del calore tramite nanofili", ha affermato Wu.

Ma le misurazioni di Ci li hanno stupiti tutti. I nanofili Si-28 conducono il calore non del 10% o addirittura del 20%, ma del 150% meglio dei nanofili di silicio naturale con lo stesso diametro e rugosità superficiale.

Questo ha sfidato tutto ciò che si aspettavano di vedere, ha detto Wu. La superficie ruvida di un nanofilo in genere rallenta i fononi. Allora cosa stava succedendo?

Le immagini TEM (microscopia elettronica a trasmissione) ad alta risoluzione del materiale catturate da Matthew R. Jones e Muhua Sun della Rice University hanno scoperto il primo indizio:uno strato simile al vetro di biossido di silicio sulla superficie del nanofilo di silicio-28.

Esperimenti di simulazione computazionale presso l'Università del Massachusetts Amherst guidati da Zlatan Aksamija, uno dei massimi esperti di conducibilità termica dei nanofili, hanno rivelato che l'assenza di "difetti" isotopici - silicio-29 e silicio-30 - impediva ai fononi di fuoriuscire in superficie, dove lo strato di biossido di silicio rallenterebbe drasticamente i fononi. Questo a sua volta ha mantenuto i fononi sulla rotta lungo la direzione del flusso di calore - e quindi meno "confusi" - all'interno del "nucleo" del nanofilo di silicio-28. (Aksamija è attualmente professore associato di scienza dei materiali e ingegneria presso l'Università dello Utah.) 

"Questo è stato davvero inaspettato. Scoprire che due meccanismi separati di blocco dei fononi - la superficie rispetto agli isotopi, che in precedenza si ritenevano indipendenti l'uno dall'altro - ora lavorano sinergicamente a nostro vantaggio nella conduzione del calore è molto sorprendente ma anche molto gratificante, " disse Wu.

"Junqiao e il team hanno scoperto un nuovo fenomeno fisico", ha detto Ager. "Questo è un vero trionfo per la scienza guidata dalla curiosità. È piuttosto eccitante".

Wu ha affermato che il team prevede di portare la loro scoperta al passo successivo:studiando come "controllare, piuttosto che semplicemente misurare, la conduzione del calore in questi materiali". + Esplora ulteriormente

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