La unión de materiales bidimensionales utilizados en dispositivos nanoelectrónicos entre sus bases de silicio tridimensionales y una capa ultrafina de óxido de aluminio puede reducir significativamente el riesgo de falla de los componentes debido a sobrecalentamiento. según un nuevo estudio publicado en la revista de Materiales avanzados dirigido por investigadores de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Illinois en Chicago.

Muchos de los componentes electrónicos actuales basados ​​en silicio contienen materiales bidimensionales como el grafeno. La incorporación de materiales 2-D como el grafeno, que está compuesto por una capa de átomos de carbono de un solo átomo de espesor, en estos componentes les permite ser varios órdenes de magnitud más pequeños que si se hubieran hecho con materiales convencionales, Materiales 3-D. Además, Los materiales 2-D también permiten otras funcionalidades únicas. Pero los componentes nanoelectrónicos con materiales 2-D tienen un talón de Aquiles:son propensos a sobrecalentarse. Esto se debe a la mala conductancia térmica de los materiales 2-D a la base de silicio.

"En el campo de la nanoelectrónica, la escasa disipación de calor de los materiales 2-D ha sido un cuello de botella para realizar plenamente su potencial para permitir la fabricación de componentes electrónicos cada vez más pequeños manteniendo la funcionalidad, "dijo Amin Salehi-Khojin, profesor asociado de ingeniería mecánica e industrial en la Facultad de Ingeniería de la UIC.

Una de las razones por las que los materiales 2-D no pueden transferir calor al silicio de manera eficiente es que las interacciones entre los materiales 2-D y el silicio en componentes como los transistores son bastante débiles.

"Los enlaces entre los materiales 2-D y el sustrato de silicio no son muy fuertes, de modo que cuando se acumula calor en el material 2-D, crea puntos calientes que causan sobrecalentamiento y fallas en el dispositivo, "explicó Zahra Hemmat, estudiante de posgrado en la Facultad de Ingeniería de la UIC y coautor del artículo.

Para mejorar la conexión entre el material 2-D y la base de silicio para mejorar la conductancia térmica desde el material 2-D hacia el silicio, Los ingenieros han experimentado con la adición de una capa ultrafina adicional de material encima de la capa 2-D, creando de hecho un "nano-sándwich" con la base de silicio y el material ultrafino como "pan".

"Al agregar otra capa 'encapsulante' sobre el material 2-D, hemos podido duplicar la transferencia de energía entre el material 2-D y la base de silicio, "Dijo Salehi-Khojin.

Salehi-Khojin y sus colegas crearon un transistor experimental utilizando óxido de silicio para la base, carburo para el material 2-D y óxido de aluminio para el material de encapsulación. A temperatura ambiente, los investigadores vieron que la conductancia del calor del carburo a la base de silicio era dos veces más alta con la adición de la capa de óxido de aluminio que sin ella.

"Si bien nuestro transistor es un modelo experimental, prueba que al agregar un adicional, capa de encapsulación a estos nanoelectrónicos 2-D, podemos aumentar significativamente la transferencia de calor a la base de silicio, lo que contribuirá en gran medida a preservar la funcionalidad de estos componentes al reducir la probabilidad de que se quemen, ", dijo Salehi-Khojin." Nuestros próximos pasos incluirán probar diferentes capas de encapsulación para ver si podemos mejorar aún más la transferencia de calor ".