Encontrar formas de gestionar el flujo de calor en el silicio podría impulsar el rendimiento de los semiconductores, pero, hasta aquí, descubrir el diseño correcto ha sido difícil de alcanzar. Ahora, un equipo de investigadores de Penn State informa que una técnica de fabricación puede ofrecer un camino para dominar el flujo, a menudo caótico, de portadores de calor a nanoescala en silicio y otros semiconductores.

En un estudio, Los investigadores utilizaron supercomputadoras para probar un diseño que inserta orificios del tamaño de un nanómetro en un semiconductor de silicio y encontraron que el modelo resultante, que consiste en inclusiones de forma esférica distribuidas uniformemente podría influir dramáticamente en la capacidad de canalizar el calor a través de vibraciones atómicas llamadas fonones. Las inclusiones son agujeros con un radio de entre 7 y 30 nanómetros. Como comparación, un cabello humano tiene alrededor de 80, 000 nanómetros de ancho.

Los investigadores agregaron que este es un paso significativo hacia la comprensión de cómo controlar el flujo de calor a través de semiconductores de silicio y, Un día, mejorando el rendimiento de esos chips.

Controlar el flujo de calor es difícil debido a la forma en que los fonones rebotan en los materiales a ciertas escalas, dijo Ismaila Dabo, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales.

"Cuando miras el calor desde el nivel de estar hecho de fonones, las partículas que conducen el calor, rápidamente se da cuenta de que estos fonones solo pueden llegar hasta cierto punto sin ser desviados, "dijo Dabo, quien también es asociado del Instituto de Ciencias Computacionales y de Datos (ICDS), que opera la supercomputadora en la que se llevó a cabo la investigación del equipo. "Entonces, solo hay una distancia limitada que un fonón puede viajar en el material y esa distancia es del orden de 50 nanómetros a 1, 000 nanómetros para la mayoría de los materiales ".

Cuando la geometría de las estructuras realizadas con estos materiales está en el orden de estas escalas de longitud, el comportamiento de los fonones se vuelve más complicado, según Brian Foley, profesor asistente de ingeniería mecánica.

"Durante las últimas décadas, la gente ha intentado diseñar materiales de conductividad térmica más baja para cosas como termoeléctricos y recubrimientos de barrera térmica, ", dijo Foley." Este trabajo muestra que si continúa este enfoque nanoestructurado en el régimen de menos de 10 nm en un sistema geométrico ordenado, pasa por una conductividad térmica mínima y luego recupera rápidamente las propiedades a granel a medida que las inclusiones continúan encogiéndose y finalmente desaparecen. Ahora, poder acceder al otro lado de ese mínimo, Creo que se está volviendo más interesante porque podemos diseñar materiales con conductividad térmica que son más sensibles a los parámetros de tamaño ".

Si bien este trabajo representa un paso importante, todavía es solo un paso inicial, según los investigadores, que informan de sus hallazgos en un número reciente de ACS Nano . Sin embargo, podría abrir otras posibilidades, más allá de las mejoras en los chips de computadora, en el futuro. El diseño podría, por ejemplo, ayudan a convertir el calor que de otro modo se desperdiciaría en energía utilizable.

"Esto establece un objetivo para la próxima década, Yo creo, utilizar sistemas avanzados como estos para diseñar equivalentes térmicos a dispositivos eléctricos, como diodos y transistores, ", dijo Foley." Eliminar el calor y ayudar a la eficiencia energética serían los beneficios más directos de estos dispositivos térmicos; la computación fonética y la computación térmica son otras formas en que podrían usarse ".

Los investigadores dijeron que el trabajo también ayuda a otros científicos a explorar el extraño mundo del trabajo con fonones. Si bien la mayoría de la gente se da cuenta de que los electrones y los fotones pueden exhibir comportamientos tanto en forma de ondas como en partículas, es posible que no sepan que los fonones tienen una calidad similar, dijo Weinan Chen, asistente de investigación de posgrado y co-primer autor del artículo.

"Sabemos que un electrón puede ser una partícula o una onda, que es la base de la física moderna, ", dijo Chen." El mismo concepto se aplica a los fonones. Puede verse como una partícula y puede verse como una onda. En este caso, ya no transporta electricidad, es una corriente de calor. Entonces, esto es muy sensible a la temperatura y cómo se distribuye la temperatura a través del material ".

A diferencia de los electrones y fotones, Los fonones deben existir en un estado de materia condensada, lo que les da muchos dolores de cabeza a los investigadores que estudian los fonones.

"A veces pensamos que el mundo de la electrónica lo ha hecho, con vías conductoras bien definidas y 'gases' de electrones y huecos que interactúan débilmente que rara vez se ven entre sí, "dijo Foley." Pero, el flujo de calor puede ser más difícil de estudiar, ya que es difícil de confinar y simplemente va a todas partes; sin mencionar las complejidades de los fonones cuando rebotan entre sí, rebotan en otras cosas. Es una red interconectada de interferencias y colisiones; puede ser un gran lío ".

Disha Talreja, estudiante de doctorado y co-primer autor del trabajo, comparte este sentimiento, diciendo que medir el flujo de calor en estas complicadas estructuras fue muy gratificante. Dijo Talreja, "Sintetizar poros de tamaño nanométrico de forma ordenada en materiales como el silicio y ser capaz de capturar experimentalmente la difusión de fonones predicha teóricamente a través de ellos fue de hecho un viaje emocionante".

Dabo y Foley agregaron que la capacidad de diseñar con precisión estas nanoestructuras, o la capacidad de sintonización, no habría sido posible sin las técnicas de nanofabricación desarrolladas por el difunto John Badding.

"El proceso de fabricación, a mi, es alucinante, ", dijo Foley." Lo que John Badding desarrolló es disruptivo porque es una vía completamente nueva para diseñar estructuras térmicas. Espero que podamos ayudar a que esto forme parte de su legado tanto para la química como para las ciencias en general ".