Los chips de computadora actuales empaquetan miles de millones de pequeños transistores en una placa de silicio del ancho de una uña. Cada transistor, solo decenas de nanómetros de ancho, actúa como un interruptor que, en concierto con otros, realiza los cálculos de una computadora. A medida que los densos bosques de transistores emiten señales de ida y vuelta, emiten calor, que puede freír los componentes electrónicos, si un chip se calienta demasiado.

Los fabricantes suelen aplicar una teoría de la difusión clásica para medir el aumento de temperatura de un transistor en un chip de computadora. Pero ahora un experimento realizado por ingenieros del MIT sugiere que esta teoría común no se sostiene en escalas de longitud extremadamente pequeñas. Los resultados del grupo indican que la teoría de la difusión subestima el aumento de temperatura de las fuentes de calor a nanoescala, como los transistores de un chip de computadora. Tal error de cálculo podría afectar la confiabilidad y el rendimiento de los chips y otros dispositivos microelectrónicos.

"Verificamos que cuando la fuente de calor es muy pequeña, no se puede utilizar la teoría de la difusión para calcular el aumento de temperatura de un dispositivo. El aumento de temperatura es mayor que la predicción de difusión, y en microelectrónica, no quieres que eso suceda, "dice el profesor Gang Chen, jefe del Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT. "Así que esto podría cambiar la forma en que la gente piensa sobre cómo modelar los problemas térmicos en microelectrónica".

El grupo, incluidos el estudiante de posgrado Lingping Zeng y la profesora del Instituto Mildred Dresselhaus del MIT, Yongjie Hu de la Universidad de California en Los Ángeles, y Austin Minnich de Caltech, ha publicado sus resultados esta semana en la revista Nanotecnología de la naturaleza .

Distribución de ruta libre media de fonones

Chen y sus colegas llegaron a su conclusión después de idear un experimento para medir la distribución del "camino libre medio" de los portadores de calor en un material. En semiconductores y dieléctricos, el calor normalmente fluye en forma de fonones, partículas en forma de ondas que transportan calor a través de un material y experimentan diversas dispersiones durante su propagación. El camino libre medio de un fonón es la distancia que un fonón puede transportar calor antes de chocar con otra partícula; cuanto más largo sea el camino libre medio de un fonón, cuanto mejor pueda llevar, o conducta, calor.

Como el camino libre medio puede variar de un fonón a otro en un material dado (desde varios nanómetros hasta micrones), el material muestra una distribución de camino libre medio, o rango. Chen, el profesor Carl Richard Soderberg de ingeniería energética en el MIT, razonó que medir esta distribución proporcionaría una imagen más detallada de la capacidad de transporte de calor de un material, permitir a los investigadores diseñar materiales, por ejemplo, utilizando nanoestructuras para limitar la distancia que viajan los fonones.

El grupo trató de establecer un marco y una herramienta para medir la distribución media del camino libre en una serie de materiales de interés tecnológico. Hay dos regímenes de transporte térmico:régimen difusivo y régimen cuasibalístico. El primero devuelve la conductividad térmica a granel, que enmascara la importante distribución de camino libre medio. Para estudiar los caminos libres medios de los fonones, los investigadores se dieron cuenta de que necesitarían una pequeña fuente de calor en comparación con el camino libre medio de fonones para acceder al régimen cuasibalístico, ya que las fuentes de calor más grandes enmascararían esencialmente los efectos de los fonones individuales.

La creación de fuentes de calor a nanoescala fue un desafío importante:los láseres solo pueden enfocarse en un punto del tamaño de la longitud de onda de la luz, aproximadamente una micra, más de 10 veces la longitud del camino libre medio en algunos fonones. Para concentrar la energía de la luz láser en un área aún más fina, el equipo modeló puntos de aluminio de varios tamaños, desde decenas de micrómetros hasta 30 nanómetros, a través de la superficie del silicio, aleación de germanio de silicio, arseniuro de galio, nitruro de galio, y zafiro. Cada punto absorbe y concentra el calor de un láser, que luego fluye a través del material subyacente como fonones.

En sus experimentos, Chen y sus colegas utilizaron la microfabricación para variar el tamaño de los puntos de aluminio, y midió la desintegración de un láser pulsado reflejado desde el material, una medida indirecta de la propagación del calor en el material. Descubrieron que a medida que el tamaño de la fuente de calor se vuelve más pequeño, el aumento de temperatura se desvía de la teoría de la difusión.

Ellos interpretan eso como los puntos de metal, que son fuentes de calor, hacerse más pequeño, los fonones que salen de los puntos tienden a volverse "balísticos, "disparando a través del material subyacente sin dispersarse. En estos casos, tales fonones no contribuyen mucho a la conductividad térmica de un material. Pero para fuentes de calor mucho más grandes que actúan sobre el mismo material, Los fonones tienden a colisionar con otros fonones y se dispersan con más frecuencia. En estos casos, la teoría de la difusión actualmente en uso se vuelve válida.

Una imagen de transporte detallada

Para cada material, los investigadores trazaron una distribución de caminos libres medios, reconstruido a partir de la conductividad térmica dependiente del tamaño del calentador de un material. En general, observaron la nueva imagen anticipada de la conducción de calor:mientras que lo común, La teoría clásica de la difusión es aplicable a grandes fuentes de calor. falla para pequeñas fuentes de calor. Variando el tamaño de las fuentes de calor, Chen y sus colegas pueden trazar un mapa de la distancia que recorren los fonones entre colisiones, y cuánto contribuyen a la conducción de calor.

Zeng dice que la configuración experimental del grupo se puede utilizar para comprender mejor, y potencialmente sintonizar, la conductividad térmica de un material. Por ejemplo, si un ingeniero desea un material con ciertas propiedades térmicas, la distribución de la ruta libre media podría servir como modelo para diseñar "centros de dispersión" específicos dentro del material:ubicaciones que provocan colisiones de fonones, a su vez dispersando la propagación del calor, conduciendo a una capacidad de transporte de calor reducida. Aunque tales efectos no son deseables para mantener fresco un chip de computadora, son adecuados en dispositivos termoeléctricos, que convierten el calor en electricidad. Para tales aplicaciones, Se desean materiales que sean eléctricamente conductores pero térmicamente aislantes.

"Lo importante es, contamos con una herramienta de espectroscopia para medir la distribución de la ruta libre media, y que la distribución es importante para muchas aplicaciones tecnológicas, "Dice Zeng.