Los diferentes círculos representan las superficies estudiadas de las membranas de Si:cristalino, áspero, plano con SiO2 nativo, y rugoso con SiO2 nativo. La imagen de la derecha muestra un mapa térmico representativo en las membranas sobre una excitación térmica localizada utilizada para medir la conductividad térmica.
Combinando modelos y experimentos atomísticos realistas de última generación, un nuevo artículo describe cómo la conductividad térmica de una membrana de silicio ultrafina está controlada en gran medida por la estructura y la composición química de la superficie. Una comprensión detallada de las conexiones de la fabricación y el procesamiento con las propiedades estructurales y térmicas de las nanoestructuras de baja dimensión es esencial para diseñar materiales y dispositivos para la fonética. gestión térmica a nanoescala, y aplicaciones termoeléctricas.
La capacidad de los materiales para conducir el calor es un concepto con el que todos estamos familiarizados en la vida cotidiana. La historia moderna del transporte térmico se remonta a 1822 cuando el brillante físico francés Jean-Baptiste Joseph Fourier publicó su libro "Théorie analytique de la chaleur" ("La teoría analítica del calor"), que se convirtió en la piedra angular del transporte de calor. Señaló que la conductividad térmica, es decir., relación entre el flujo de calor y el gradiente de temperatura, es una propiedad intrínseca del propio material.
El advenimiento de la nanotecnología, donde las reglas de la física clásica fallan gradualmente a medida que las dimensiones se reducen, está desafiando la teoría del calor de Fourier de varias maneras. Un artículo publicado en ACS Nano y dirigido por investigadores del Instituto Max Planck de Investigación de Polímeros (Alemania), el Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2) en el campus de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) (España) y el Centro de Investigación Técnica VTT de Finlandia (Finlandia) describe cómo la topología a escala nanométrica y la composición química de la superficie controlar la conductividad térmica de las membranas de silicio ultrafinas. El trabajo fue financiado por el proyecto europeo de ingeniería fonética basada en membranas para la recolección de energía (MERGING).
Los resultados muestran que la conductividad térmica de las membranas de silicio más delgadas de 10 nm es 25 veces menor que la del silicio cristalino a granel y está controlada en gran medida por la estructura y la composición química de su superficie. Combinando modelado atomístico realista de última generación, sofisticadas técnicas de fabricación, nuevos enfoques de medición y modelado sin parámetros de última generación, los investigadores desentrañaron el papel de la oxidación de la superficie en la determinación de la dispersión de las vibraciones reticulares cuantificadas (fonones), que son los principales portadores de calor en el silicio.
Tanto los experimentos como el modelado demostraron que la eliminación del óxido nativo mejora la conductividad térmica de las nanoestructuras de silicio en casi un factor de dos. mientras que la reoxidación parcial sucesiva la vuelve a bajar. Simulaciones de dinámica molecular a gran escala con hasta 1, 000, 000 átomos permitieron a los investigadores cuantificar las contribuciones relativas a la reducción de la conductividad térmica derivadas de la presencia de SiO2 nativo y de la reducción de dimensionalidad evaluada para un modelo con superficies perfectamente especulares.
El silicio es el material de elección para casi todas las aplicaciones relacionadas con la electrónica, cuando se hayan alcanzado dimensiones características inferiores a 10 nm, p.ej. en transistores FinFET, y el control de la disipación de calor se vuelve esencial para su óptimo desempeño. Si bien la disminución de la conductividad térmica inducida por las capas de óxido es perjudicial para la propagación del calor en los dispositivos nanoelectrónicos, resultará útil para la recolección de energía termoeléctrica, donde la eficiencia se basa en evitar el intercambio de calor en la parte activa del dispositivo.
La naturaleza química de las superficies, por lo tanto, surge como un nuevo parámetro clave para mejorar el rendimiento de los nanodispositivos electrónicos y termoeléctricos basados en Si, así como de los resonadores nanomecánicos (NEMS). Este trabajo abre nuevas posibilidades para nuevos experimentos y diseños térmicos dirigidos a manipular el calor a tales escalas.
