Lähetyselektronimikroskooppikuva, jossa näkyy pii-28-nanolanka, joka on päällystetty piidioksidilla (SiO2). (Luotto: Matthew R. Jones ja Muhua Sun/Rice University)
Tutkijat ovat osoittaneet uuden materiaalin, joka johtaa lämpöä 150 % tehokkaammin kuin perinteiset materiaalit, joita käytetään kehittyneissä lastutekniikoissa.
Laite – ultraohut piinanolanka – voisi mahdollistaa pienemmän ja nopeamman mikroelektroniikan, jonka lämmönsiirtotehokkuus ylittää nykyiset tekniikat. Mikrosiruilla toimivat elektroniset laitteet, jotka hajottavat tehokkaasti lämpöä, kuluttaisivat puolestaan vähemmän energiaa – parannus, joka voisi auttaa vähentämään energian kulutusta, joka tuotetaan polttamalla hiilipitoisia fossiilisia polttoaineita, jotka ovat vaikuttaneet ilmaston lämpenemiseen.
"Löytömme voittaa piin lämmönjohtamiskyvyn luonnolliset rajoitukset, joten se ratkaisee mikrosirujen suunnittelun esteen", sanoi Junqiao Wu, tutkija, joka johti Physical Review Letters -tutkimusta, jossa kerrottiin uudesta laitteesta. Wu on tiedekunnan tutkija materiaalitieteiden osastolla ja materiaalitieteen ja tekniikan professori UC Berkeleyssä.
Lämmön hidas virtaus piin läpi
Elektroniikkamme on suhteellisen edullista, koska pii – tietokonesirujen suosikkimateriaali – on halpaa ja sitä on runsaasti. Mutta vaikka pii on hyvä sähkönjohdin, se ei ole hyvä lämmönjohdin, kun se pienennetään hyvin pieneen kokoon – ja nopean laskennan suhteen se on suuri ongelma pienille mikrosiruille.
Taiteilijan tekemä mikrosiru. (Luotto: dmitriy-orlovskiy/Shutterstock)
Jokaisessa mikrosirussa on kymmeniä miljardeja piitransistoreja, jotka ohjaavat elektronien virtaa sisään ja ulos muistisoluista ja koodaavat databitit ykkösiksi ja nolliksi, tietokoneiden binäärikieleksi. Sähkövirrat kulkevat näiden ahkerasti toimivien transistorien välillä, ja nämä virrat synnyttävät väistämättä lämpöä.
Lämpö virtaa luonnollisesti kuumasta esineestä viileään esineeseen. Mutta lämmön virtaus muuttuu hankalaksi piissä.
Luonnollisessa muodossaan pii koostuu kolmesta eri isotoopista – kemiallisen alkuaineen muodoista, jotka sisältävät saman määrän protoneja mutta eri määrän neutroneja (siis eri massa) ytimissään.
Noin 92 % piistä koostuu isotoopista pii-28, jossa on 14 protonia ja 14 neutronia; noin 5 % on pii-29:ää, joka painaa 14 protonia ja 15 neutronia; ja vain 3 % on pii-30:tä, suhteellisen raskasta 14 protonia ja 16 neutronia, selitti toinen kirjoittaja Joel Ager, jolla on vanhempi tutkija Berkeley Labin materiaalitieteiden osastossa ja materiaalitieteen ja tekniikan apulaisprofessori UC Berkeleyssä.
Vasemmalta: Junqiao Wu ja Joel Ager. (Luotto: Thor Swift/Berkeley Lab; kuva Joel Agerista UC Berkeleyn luvalla)
Fononeina lämpöä kuljettavat atomivärähtelyaallot kiertelevät piin kiderakenteen läpi, ja niiden suunta muuttuu törmääessään pii-29:ään tai pii-30:een, joiden erilaiset atomimassat "sekoittavat" fononit hidastaen niitä. alas.
"Fononit saavat lopulta idean ja löytävät tiensä kylmään päähän jäähdyttämään piimateriaalia", mutta tämä epäsuora polku mahdollistaa hukkalämmön kertymisen, mikä puolestaan hidastaa myös tietokonettasi, Ager sanoi.
Iso askel kohti nopeampaa ja tiheämpää mikroelektroniikkaa
Monien vuosikymmenten ajan tutkijat ovat teoriassa, että puhtaasta pii-28:sta valmistetut sirut ylittäisivät piin lämmönjohtavuusrajan ja parantaisivat siten pienempien, tiheämpien mikroelektroniikan prosessointinopeuksia. .
Mutta piin puhdistaminen yhteen isotooppiin vaatii intensiivistä energiatasoa, jota harvat laitokset voivat toimittaa – ja vielä harvemmat ovat erikoistuneet valmistamaan markkinavalmiita isotooppeja, Ager sanoi.
Onneksi 2000-luvun alun kansainvälinen projekti mahdollisti Agerin ja johtavan puolijohdemateriaalien asiantuntijan Eugene Hallerin hankkimaan piitetrafluoridikaasua – isotooppisesti puhdistetun piin lähtöaineena – entisestä Neuvostoliiton aikaisesta isotooppivalmistuslaitoksesta. (Haller perusti Berkeley Labin DOE:n rahoittaman elektronisten materiaalien ohjelman vuonna 1984, ja hän oli vanhempi tiedekunta Berkeley Labin materiaalitieteiden osastossa sekä materiaalitieteen ja mineraalitekniikan professori UC Berkeleyssä. Hän kuoli vuonna 2018.)
Tämä johti sarjaan uraauurtavia kokeita, mukaan lukien vuonna 2006 Nature-lehdessä julkaistu tutkimus, jossa Ager ja Haller muovasivat pii-28:sta yksittäiskiteitä, joita he käyttivät osoittamaan kvanttimuistin tallentavan tietoa kvanttibitteinä tai kubiteina, datayksiköinä. tallennetaan samanaikaisesti ykkösenä ja nollana elektronin spinissä.
Optinen mikroskooppikuva 99,92-prosenttisesta pii-28-kiteestä. Berkeley Labin tutkija Junqiao Wu ja hänen tiiminsä käyttivät materiaalia nanolankojen tuottamiseen. (Luotto: Junqiao Wu/Berkeley Lab)
Myöhemmin Agerin ja Hallerin pii-isotooppimateriaalista valmistettujen puolijohtavien ohuiden kalvojen ja yksittäiskiteiden lämmönjohtavuuden osoitettiin olevan 10 % korkeampi kuin luonnonpiillä – parannus, mutta tietokoneteollisuuden näkökulmasta se ei todennäköisesti riitä perustelemaan käyttää tuhat kertaa enemmän rahaa tietokoneen rakentamiseen isotooppisesti puhtaasta piistä, Ager sanoi.
Mutta Ager tiesi, että pii-isotooppimateriaalit olivat tieteellisesti tärkeitä kvanttilaskentaa pidemmälle. Niinpä hän säilytti sen, mitä oli jäljellä, turvallisessa paikassa Berkeley Labissa, siltä varalta, että muut tutkijat saattavat tarvita sitä, koska harvalla ihmisellä on resursseja valmistaa tai edes ostaa isotooppisesti puhdasta piitä, hän perusteli.
Tie kohti viileämpää tekniikkaa pii-28:lla
Noin kolme vuotta sitten Wu ja hänen jatko-opiskelijansa Penghong Ci yrittivät keksiä uusia tapoja parantaa piisirujen lämmönsiirtonopeutta.
Yksi strategia tehokkaampien transistorien tekemiseksi on nanojohdin, jota kutsutaan Gate-All-Around Field Effect Transistoriksi. Näissä laitteissa piinanolangat pinotaan johtamaan sähköä ja lämpöä syntyy samanaikaisesti, Wu selitti. "Ja jos syntyvää lämpöä ei poisteta nopeasti, laite lakkaisi toimimasta, kuten palohälytin räjähtää korkeassa rakennuksessa ilman evakuointikarttaa", hän sanoi.
Mutta lämmönsiirto on vielä pahempaa piinanolangoissa, koska niiden karkeat pinnat – kemiallisen käsittelyn arvet – hajottavat tai "sekoittavat" fononeja vielä enemmän, hän selitti.
Optinen mikroskopiakuva mikrolaitteesta, joka koostuu kahdesta ripustetusta tyynystä, jotka on sillotettu piinanolangalla. (Luotto: Junqiao Wu/Berkeley Lab)
"Ja sitten eräänä päivänä mietimme: "Mitä tapahtuisi, jos tekisimme nanolangan isotooppisesti puhtaasta pii-28:sta?"", Wu sanoi.
Pii-isotooppeja ei voi helposti ostaa vapailta markkinoilta, ja kuulemma Agerilla oli vielä joitakin pii-isotooppikiteitä varastossa Berkeley Labissa – ei paljon, mutta silti tarpeeksi jaettavaksi "jos jollakulla on hyvä idea siitä, miten sitä käytetään", Ager sanoi. "Ja Junqiaon uusi tutkimus oli tällainen tapaus."
Yllättävä suuri paljastaminen nanotesteillä
"Olemme todella onnekkaita, että Joelilla sattui olemaan isotooppisesti rikastettu piimateriaali valmiina käytettäväksi tutkimuksessa", Wu sanoi.
Wu-tiimi testasi Agerin pii-isotooppimateriaaleja käyttämällä lämmönjohtavuutta 1 millimetrin kokoisissa pii-28-kiteissä luonnonpiiin verrattuna – ja jälleen heidän kokeensa vahvisti sen, mitä Ager ja hänen yhteistyökumppaninsa löysivät vuosia sitten – että massapii 28 johtaa lämpöä vain 10 % paremmin kuin luonnollinen pii.
Nyt nanotestiin. Käyttämällä tekniikkaa, jota kutsutaan sähköttömäksi etsaukseksi, Ci valmisti luonnollista piitä ja pii-28-nanolankoja, joiden halkaisija oli vain 90 nanometriä (metrin miljardisosaa) – noin tuhat kertaa ohuempia kuin yksi hiussäike.
Lämmönjohtavuuden mittaamiseksi Ci ripusti jokaisen nanolangan kahden mikrolämmitintyynyn väliin, joissa oli platinaelektrodeja ja lämpömittareita, ja kohdistai sitten sähkövirran elektrodiin lämmön tuottamiseksi toisessa tyynyssä, joka virtaa toiseen tyynyyn nanolangan kautta.
"Odotimme näkevämme vain lisähyötyä - noin 20 % - isotooppisesti puhtaan materiaalin käytöstä nanolangan lämmönjohtamiseen", Wu sanoi.
Mutta Ci:n mitat hämmästyttivät heitä kaikkia. Si-28-nanolangat eivät johtaneet lämpöä 10 % tai edes 20 %, vaan 150 % paremmin kuin luonnolliset piinanolangat, joilla oli sama halkaisija ja pinnan karheus.
Tämä uhmasi kaikkea, mitä he olivat odottaneet näkevänsä, Wu sanoi. Nanolangan karkea pinta tyypillisesti hidastaa fononeja. Mitä siis oli tekeillä?
Matthew R. Jonesin ja Muhua Sunin Rice Universityssä vangitsemien materiaalien korkearesoluutioiset TEM-kuvat (transmissioelektronimikroskooppi) paljastivat ensimmäisen vihjeen: lasimaisen piidioksidikerroksen pii-28-nanolangan pinnalla.
Massachusettsin yliopiston Amherstissä suoritetut laskennalliset simulaatiokokeet, joita johti nanojohtojen lämmönjohtavuuden johtava asiantuntija Zlatan Aksamija, paljastivat, että isotooppi-"vikojen" – pii-29 ja pii-30 – puuttuminen esti fononeja karkaamasta pinta, jossa piidioksidikerros hidastaisi fononeja rajusti. Tämä puolestaan piti fononit raiteilla lämmön virtaussuunnassa – ja siksi vähemmän "sekoittuneina" - pii-28-nanolangan "ytimen" sisällä. (Aksamija on tällä hetkellä materiaalitieteen ja tekniikan apulaisprofessori Utahin yliopistossa.)
"Tämä oli todella odottamatonta. On erittäin yllättävää, mutta myös erittäin ilahduttavaa, että havaitaan, että kaksi erillistä fononin estomekanismia – pinta vs. isotoopit, joiden uskottiin aiemmin olevan toisistaan riippumattomia – toimivat nyt synergistisesti hyödyksemme lämmönjohtamisessa.
"Junqiao ja tiimi löysivät uuden fyysisen ilmiön", Ager sanoi. "Tämä on todellinen voitto uteliaisuuden vetämälle tieteelle. Se on aika jännittävää."
Wu sanoi, että tiimi aikoo seuraavaksi viedä löytönsä seuraavaan vaiheeseen: tutkimalla, kuinka "kontrollia näiden materiaalien lämmönjohtavuutta sen sijaan, että vain mitataan".
Rice Universityn tutkijat; Massachusetts-Amherstin yliopisto; Shenzhenin yliopisto ja Tsinghuan yliopisto osallistuivat tutkimukseen.
Tätä työtä on tukenut DOE Office of Science.
###
Lawrence Berkeley National Laboratory ja sen tutkijat on palkittu 14 Nobel-palkinnolla vuonna 1931 uskomalla, että suurimmat tieteelliset haasteet selviävät parhaiten tiimien avulla. Nykyään Berkeley Labin tutkijat kehittävät kestäviä energia- ja ympäristöratkaisuja, luovat hyödyllisiä uusia materiaaleja, edistävät tietojenkäsittelyn rajoja ja tutkivat elämän, aineen ja maailmankaikkeuden mysteereitä. Tutkijat ympäri maailmaa luottavat laboratorion tiloihin omassa löytötieteessään. Berkeley Lab on moniohjelmainen kansallinen laboratorio, jota hallinnoi Kalifornian yliopisto Yhdysvaltain energiaministeriön tiedetoimistossa.
DOE:n tiedetoimisto on suurin yksittäinen fysiikan perustutkimuksen tukija Yhdysvalloissa, ja se pyrkii vastaamaan joihinkin aikamme kiireellisimmistä haasteista. Lisätietoja on osoitteessa energy.gov/science.
ShareTweetReddit57Share57 osaketta
