Snímek z transmisní elektronové mikroskopie zobrazující nanovlákno křemíku-28 potažené oxidem křemičitým (SiO2). (kredit: Matthew R. Jones a Muhua Sun/Rice University)
Vědci prokázali nový materiál, který vede teplo o 150 % efektivněji než běžné materiály používané v pokročilých čipových technologiích.
Zařízení – ultratenký silikonový nanodrát – by mohlo umožnit menší a rychlejší mikroelektroniku s účinností přenosu tepla, která překonává současné technologie. Elektronická zařízení poháněná mikročipy, které účinně odvádějí teplo, by zase spotřebovávala méně energie – zlepšení, které by mohlo pomoci zmírnit spotřebu energie vyrobené spalováním fosilních paliv bohatých na uhlík, která přispěla ke globálnímu oteplování.
"Překonáním přirozených omezení křemíku v jeho schopnosti vést teplo se náš objev vypořádá s překážkou v mikročipovém inženýrství," řekl Junqiao Wu, vědec, který vedl studii Physical Review Letters popisující nové zařízení. Wu je fakultní vědec v divizi materiálových věd a profesor materiálové vědy a inženýrství na UC Berkeley.
Pomalý tok tepla křemíkem
Naše elektronika je relativně dostupná, protože křemík – materiál volby pro počítačové čipy – je levný a hojný. Ale ačkoli je křemík dobrým vodičem elektřiny, není dobrým vodičem tepla, když je zmenšen na velmi malé rozměry – a pokud jde o rychlé výpočty, to představuje velký problém pro malé mikročipy.
Umělcovo vykreslení mikročipu. (Kredit: dmitriy-orlovskiy/Shutterstock)
V každém mikročipu jsou umístěny desítky miliard křemíkových tranzistorů, které řídí tok elektronů dovnitř a ven z paměťových buněk a kódují bity dat jako jedničky a nuly, což je binární jazyk počítačů. Mezi těmito těžce pracujícími tranzistory probíhají elektrické proudy a tyto proudy nevyhnutelně vytvářejí teplo.
Teplo přirozeně proudí z horkého předmětu do chladného předmětu. Ale tok tepla je v křemíku komplikovaný.
Ve své přirozené formě se křemík skládá ze tří různých izotopů – forem chemického prvku obsahujícího stejný počet protonů, ale různý počet neutronů (tedy různou hmotnost) ve svých jádrech.
Asi 92 % křemíku se skládá z izotopu křemíku-28, který má 14 protonů a 14 neutronů; kolem 5 % je křemík-29 o hmotnosti 14 protonů a 15 neutronů; a pouhá 3 % tvoří křemík-30, relativně těžká váha se 14 protony a 16 neutrony, vysvětlil spoluautor Joel Ager, který je držitelem titulu staršího vědce v divizi materiálových věd Berkeley Lab a mimořádným profesorem materiálové vědy a inženýrství na UC Berkeley.
Zleva: Junqiao Wu a Joel Ager. (Kredit: Thor Swift/Berkeley Lab; fotografie Joela Agera s laskavým svolením UC Berkeley)
Jako fonony, vlny atomových vibrací, které přenášejí teplo, se vinou krystalickou strukturou křemíku, jejich směr se mění, když narážejí na křemík-29 nebo křemík-30, jejichž různé atomové hmotnosti „matou“ fonony a zpomalují je. dolů.
„Fonony nakonec dostanou nápad a najdou si cestu ke studenému konci, aby ochladily křemíkový materiál,“ ale tato nepřímá cesta umožňuje hromadění odpadního tepla, což zase zpomaluje i váš počítač, řekl Ager.
Velký krok k rychlejší a hustší mikroelektronice
Po mnoho desetiletí vědci teoretizovali, že čipy vyrobené z čistého křemíku-28 překonají limit tepelné vodivosti křemíku, a proto zlepší rychlost zpracování menší, hustší mikroelektroniky. .
Ale čištění křemíku na jediný izotop vyžaduje intenzivní úrovně energie, které může dodat jen málo zařízení – a ještě méně zařízení se specializuje na výrobu izotopů připravených pro trh, řekl Ager.
Naštěstí mezinárodní projekt z počátku 21. století umožnil společnosti Ager a přednímu odborníkovi na polovodičové materiály Eugenu Hallerovi získat plynný tetrafluorid křemíku – výchozí materiál pro izotopově čištěný křemík – z bývalého závodu na výrobu izotopů ze sovětské éry. (Haller v roce 1984 založil program elektronických materiálů společnosti Berkeley Lab's DOE a byl vedoucím fakultním vědeckým pracovníkem v divizi materiálových věd Berkeley Lab a profesorem materiálové vědy a minerálního inženýrství na UC Berkeley. Zemřel v roce 2018.)
To vedlo k řadě průkopnických experimentů, včetně studie z roku 2006 zveřejněné v Nature, kdy Ager a Haller vytvořili křemík-28 do monokrystalů, které použili k demonstraci kvantové paměti ukládající informace jako kvantové bity nebo qubity, jednotky dat. uloženy současně jako jednička a nula ve spinu elektronu.
Snímek 99,92% krystalu křemíku-28 z optického mikroskopu. Vědec z Berkeley Lab Junqiao Wu a jeho tým použili materiál k výrobě nanodrátů. (Kredit: Junqiao Wu/Berkeley Lab)
Následně se ukázalo, že polovodivé tenké filmy a monokrystaly vyrobené s Agerovým a Hallerovým křemíkovým izotopovým materiálem mají o 10 % vyšší tepelnou vodivost než přírodní křemík – zlepšení, ale z hlediska počítačového průmyslu pravděpodobně nestačí k ospravedlnění utrácení tisíckrát více peněz na stavbu počítače z izotopicky čistého křemíku, řekl Ager.
Ale Ager věděl, že materiály izotopů křemíku mají vědecký význam i mimo kvantové výpočty. Uložil tedy to, co zůstalo na bezpečném místě v Berkeley Lab, pro případ, že by to potřebovali jiní vědci, protože jen málo lidí má zdroje na výrobu nebo dokonce nákup izotopově čistého křemíku, uvažoval.
Cesta k chladnější technologii s křemíkem-28
Před třemi lety se Wu a jeho postgraduální student Penghong Ci pokoušeli přijít s novými způsoby, jak zlepšit rychlost přenosu tepla v křemíkových čipech.
Jedna strategie, jak vyrobit účinnější tranzistory, zahrnuje použití typu nanodrátu nazývaného Gate-All-Around Field Effect Transistor. V těchto zařízeních jsou křemíkové nanodrátky naskládány tak, aby vedly elektřinu, a současně se generuje teplo, vysvětlil Wu. "A pokud generované teplo není rychle odváděno, zařízení by přestalo fungovat, podobně jako požární poplach ve vysoké budově bez evakuační mapy," řekl.
Ale přenos tepla je u křemíkových nanodrátů ještě horší, protože jejich drsné povrchy – jizvy po chemickém zpracování – fonony ještě více rozptylují nebo „zmatou“, vysvětlil.
Optický mikroskopický snímek mikrozařízení sestávajícího ze dvou zavěšených podložek přemostěných křemíkovým nanodrátem. (Kredit: Junqiao Wu/Berkeley Lab)
„A pak jsme jednoho dne přemýšleli: ‚Co by se stalo, kdybychom vyrobili nanodrát z izotopicky čistého křemíku-28?‘,“ řekl Wu.
Izotopy křemíku nejsou něco, co by se dalo snadno koupit na volném trhu, a říkalo se, že Ager má stále nějaké krystaly křemíkových izotopů ve skladu v Berkeley Lab – ne mnoho, ale stále dost na to, aby se podělili o to, „pokud má někdo skvělé představu o tom, jak to použít,“ řekl Ager. "A Junqiaova nová studie byla takovým případem."
Překvapivé velké odhalení s nano testy
„Máme opravdu štěstí, že Joel měl náhodou izotopově obohacený křemíkový materiál připravený k použití pro studii,“ řekl Wu.
Pomocí izotopových materiálů křemíku společnosti Ager testoval tým Wu tepelnou vodivost v hromadných krystalech křemíku-28 o velikosti 1 milimetr oproti přírodnímu křemíku – a jejich experiment opět potvrdil to, co Ager a jeho spolupracovníci objevili před lety – že objemný křemík- 28 vede teplo pouze o 10 % lépe než přírodní křemík.
Nyní k testu nanotechnologií. Pomocí techniky zvané bezproudové leptání vyrobil Ci přírodní křemík a nanodrátky křemíku-28 o průměru pouhých 90 nanometrů (miliardtiny metru), což je asi tisíckrát tenčí než jeden pramen lidského vlasu.
K měření tepelné vodivosti Ci zavěsil každý nanodrát mezi dvě mikroohřívací podložky vybavené platinovými elektrodami a teploměry a poté aplikoval elektrický proud na elektrodu, aby na jedné podložce generoval teplo, které proudí na druhou podložku přes nanodrát.
„Očekávali jsme, že z použití izotopicky čistého materiálu pro vedení tepla nanovláknem uvidíme pouze přírůstkový přínos – něco kolem 20 %,“ řekl Wu.
Ale Ciho měření je všechny ohromila. Nanodrátky Si-28 nevedly teplo o 10 % nebo dokonce 20 %, ale o 150 % lépe než nanodrátky z přírodního křemíku se stejným průměrem a drsností povrchu.
To odporovalo všemu, co očekávali, že uvidí, řekl Wu. Hrubý povrch nanodrátu obvykle zpomaluje fonony. Tak co se dělo?
Snímky materiálu s vysokým rozlišením TEM (transmisní elektronová mikroskopie) zachycené Matthewem R. Jonesem a Muhua Sun na Rice University odhalily první vodítko: sklu podobnou vrstvu oxidu křemičitého na povrchu nanovlákna křemíku-28.
Počítačové simulační experimenty na University of Massachusetts Amherst vedené Zlatanem Aksamijou, předním odborníkem na tepelnou vodivost nanodrátů, odhalily, že absence izotopových „defektů“ – křemíku-29 a křemíku-30 – bránila fononům v úniku do povrch, kde by vrstva oxidu křemičitého drasticky zpomalila fonony. To zase udrželo fonony na dráze podél směru tepelného toku – a tudíž méně „zmatené“ – uvnitř „jádra nanodrátu křemíku-28“. (Aksamija je v současné době docentem materiálové vědy a inženýrství na University of Utah.)
„Bylo to opravdu nečekané. Zjistit, že dva samostatné mechanismy blokující fonony – povrch versus izotopy, o kterých se dříve věřilo, že jsou na sobě nezávislé – nyní fungují synergicky v náš prospěch při vedení tepla, je velmi překvapivé, ale také velmi potěšující,“ řekl Wu.
"Junqiao a tým objevili nový fyzikální jev," řekl Ager. „Toto je skutečný triumf vědy řízené zvědavostí. Je to docela vzrušující."
Wu řekl, že tým dále plánuje posunout svůj objev k dalšímu kroku: zkoumáním, jak „řídit, spíše než pouze měřit, vedení tepla v těchto materiálech“.
Výzkumní pracovníci z Rice University; University of Massachusetts-Amherst; Na studii se podílely Shenzhen University a Tsinghua University.
Tato práce byla podporována Úřadem pro vědu DOE.
###
Laboratoř Lawrence Berkeley National Laboratory a její vědci, která byla založena v roce 1931 na základě přesvědčení, že největší vědecké výzvy nejlépe řeší týmy, získali 14 Nobelových cen. Dnes výzkumníci z Berkeley Lab vyvíjejí udržitelná energetická a environmentální řešení, vytvářejí užitečné nové materiály, posouvají hranice výpočetní techniky a zkoumají záhady života, hmoty a vesmíru. Vědci z celého světa spoléhají na zařízení laboratoře pro vlastní objevy. Berkeley Lab je multiprogramová národní laboratoř, spravovaná Kalifornskou univerzitou pro Úřad vědy Ministerstva energetiky USA.
Úřad pro vědu DOE je jediným největším zastáncem základního výzkumu ve fyzikálních vědách ve Spojených státech a pracuje na řešení některých nejnaléhavějších výzev naší doby. Další informace naleznete na adrese energy.gov/science.
ShareTweetReddit57Share57 Shares
