Los científicos han demostrado un nuevo material que conduce el calor un 150 % más eficientemente que los materiales convencionales utilizados en tecnologías avanzadas de chips.

El dispositivo, un nanocable de silicio ultrafino, podría permitir una microelectrónica más pequeña y rápida con una eficiencia de transferencia de calor que supera a las tecnologías actuales. A su vez, los dispositivos electrónicos alimentados por microchips que disipan el calor de manera eficiente consumirían menos energía, una mejora que podría ayudar a mitigar el consumo de energía producido por la quema de combustibles fósiles ricos en carbono que han contribuido al calentamiento global.

"Al superar las limitaciones naturales del silicio en su capacidad para conducir el calor, nuestro descubrimiento supera un obstáculo en la ingeniería de microchips", dijo Junqiao Wu, el científico que dirigió las Physical Review Letters. estudio que informa sobre el nuevo dispositivo. Wu es científico de la facultad en la División de Ciencias de Materiales y profesor de ciencia e ingeniería de materiales en UC Berkeley.

Flujo lento del calor a través del silicio

Nuestros productos electrónicos son relativamente asequibles porque el silicio, el material elegido para los chips de computadora, es barato y abundante. Pero aunque el silicio es un buen conductor de la electricidad, no es un buen conductor del calor cuando se reduce a tamaños muy pequeños, y cuando se trata de computación rápida, eso presenta un gran problema para los diminutos microchips.

Dentro de cada microchip residen decenas de miles de millones de transistores de silicio que dirigen el flujo de electrones dentro y fuera de las celdas de memoria, codificando bits de datos como unos y ceros, el lenguaje binario de las computadoras. Las corrientes eléctricas corren entre estos transistores que trabajan duro, y estas corrientes inevitablemente generan calor.

El calor fluye naturalmente de un objeto caliente a un objeto frío. Pero el flujo de calor se complica en el silicio.

En su forma natural, el silicio se compone de tres isótopos diferentes:formas de un elemento químico que contiene el mismo número de protones pero diferente número de neutrones (por lo tanto, diferente masa) en sus núcleos.

Alrededor del 92% del silicio consiste en el isótopo silicio-28, que tiene 14 protones y 14 neutrones; alrededor del 5% es silicio-29, con un peso de 14 protones y 15 neutrones; y solo el 3% es silicio-30, un peso relativamente pesado con 14 protones y 16 neutrones, explicó el coautor Joel Ager, quien tiene títulos de científico senior en la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab y profesor adjunto de ciencia e ingeniería de materiales en UC Berkeley.

Como fonones, las ondas de vibración atómica que transportan calor, se abren camino a través de la estructura cristalina del silicio, su dirección cambia cuando chocan con el silicio-29 o el silicio-30, cuyas diferentes masas atómicas "confunden" a los fonones, ralentizándolos.

"Los fonones finalmente captan la idea y encuentran su camino hacia el extremo frío para enfriar el material de silicio", pero este camino indirecto permite que se acumule calor residual, lo que a su vez ralentiza la computadora también, dijo Ager.

Un gran paso hacia una microelectrónica más rápida y densa

Durante muchas décadas, los investigadores teorizaron que los chips hechos de silicio-28 puro superarían el límite de conductividad térmica del silicio y, por lo tanto, mejorarían las velocidades de procesamiento de microelectrónica más pequeña y densa.

Pero purificar el silicio hasta un solo isótopo requiere niveles intensos de energía que pocas instalaciones pueden suministrar, y aún menos se especializan en la fabricación de isótopos listos para el mercado, dijo Ager.

Afortunadamente, un proyecto internacional de principios de la década de 2000 permitió a Ager y al destacado experto en materiales semiconductores Eugene Haller obtener gas de tetrafluoruro de silicio, el material de partida para el silicio purificado isotópicamente, de una antigua planta de fabricación de isótopos de la era soviética.

Esto condujo a una serie de experimentos pioneros, incluido un estudio de 2006 publicado en Nature , mediante el cual Ager y Haller transformaron el silicio-28 en monocristales, que usaron para demostrar que la memoria cuántica almacena información como bits cuánticos o qubits, unidades de datos almacenadas simultáneamente como uno y cero en el giro de un electrón.

Posteriormente, se demostró que las películas delgadas semiconductoras y los monocristales fabricados con material de isótopos de silicio de Ager y Haller tienen una conductividad térmica un 10 % más alta que el silicio natural, una mejora, pero desde el punto de vista de la industria informática, probablemente no lo suficiente como para justificar gastar mil veces más dinero para construir una computadora a partir de silicio isotópicamente puro, dijo Ager.

Pero Ager sabía que los materiales de isótopos de silicio tenían una importancia científica más allá de la computación cuántica. Así que mantuvo lo que quedaba en un lugar seguro en Berkeley Lab, en caso de que otros científicos pudieran necesitarlo, porque pocas personas tienen los recursos para fabricar o incluso comprar silicio isotópicamente puro, razonó.

Un camino hacia una tecnología más fría con silicio-28

Hace unos tres años, Wu y su estudiante de posgrado Penghong Ci estaban tratando de idear nuevas formas de mejorar la tasa de transferencia de calor en los chips de silicio.

Una estrategia para hacer transistores más eficientes implica el uso de un tipo de nanocable llamado transistor de efecto de campo Gate-All-Around. En estos dispositivos, los nanocables de silicio se apilan para conducir electricidad y el calor se genera simultáneamente, explicó Wu. "Y si el calor generado no se extrae rápidamente, el dispositivo dejaría de funcionar, similar a una alarma contra incendios que suena en un edificio alto sin un mapa de evacuación", dijo.

Pero el transporte de calor es aún peor en los nanocables de silicio, porque sus superficies rugosas (cicatrices del procesamiento químico) dispersan o "confunden" aún más a los fonones, explicó.

"Y luego, un día nos preguntamos, '¿Qué pasaría si hiciéramos un nanocable de silicio-28 isotópicamente puro?'", Dijo Wu.

Los isótopos de silicio no son algo que uno pueda comprar fácilmente en el mercado abierto, y se decía que Ager todavía tenía algunos cristales de isótopos de silicio almacenados en Berkeley Lab; no muchos, pero sí suficientes para compartir "si alguien tiene una gran idea sobre cómo usarlo", dijo Ager. "Y el nuevo estudio de Junqiao fue uno de esos casos".

Una gran revelación sorprendente con nano pruebas

"Somos muy afortunados de que Joel tuviera el material de silicio enriquecido isotópicamente listo para usar en el estudio", dijo Wu.

Usando los materiales de isótopos de silicio de Ager, el equipo de Wu probó la conductividad térmica en cristales de silicio-28 a granel de 1 milímetro en comparación con el silicio natural y, nuevamente, su experimento confirmó lo que Ager y sus colaboradores descubrieron hace años:que el silicio-28 a granel conduce el calor. solo un 10 % mejor que el silicio natural.

Ahora para la prueba nano. Usando una técnica llamada grabado sin electricidad, Ci hizo silicio natural y nanocables de silicio-28 de solo 90 nanómetros (mil millonésimas de metro) de diámetro, unas mil veces más delgados que una sola hebra de cabello humano.

Para medir la conductividad térmica, Ci suspendió cada nanocable entre dos almohadillas microcalentadoras equipadas con electrodos de platino y termómetros, y luego aplicó una corriente eléctrica al electrodo para generar calor en una almohadilla que fluye hacia la otra almohadilla a través del nanocable.

"Esperábamos ver solo un beneficio incremental, algo así como un 20%, del uso de material isotópicamente puro para la conducción de calor con nanocables", dijo Wu.

Pero las medidas de Ci los asombraron a todos. Los nanocables de Si-28 conducían el calor no un 10 % ni un 20 %, sino un 150 % mejor que los nanocables de silicio natural con el mismo diámetro y rugosidad superficial.

Esto desafió todo lo que esperaban ver, dijo Wu. La superficie rugosa de un nanocable generalmente ralentiza los fonones. Entonces, ¿qué estaba pasando?

Las imágenes de alta resolución TEM (microscopía electrónica de transmisión) del material capturadas por Matthew R. Jones y Muhua Sun en la Universidad de Rice descubrieron la primera pista:una capa similar al vidrio de dióxido de silicio en la superficie del nanocable de silicio-28.

Los experimentos de simulación computacional en la Universidad de Massachusetts Amherst dirigidos por Zlatan Aksamija, un destacado experto en la conductividad térmica de los nanocables, revelaron que la ausencia de "defectos" isotópicos (silicio-29 y silicio-30) impidió que los fonones escaparan a la superficie. donde la capa de dióxido de silicio reduciría drásticamente la velocidad de los fonones. Esto, a su vez, mantuvo a los fonones en la dirección del flujo de calor, y por lo tanto menos "confundidos", dentro del "núcleo" del nanocable de silicio-28. (Aksamija es actualmente profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Utah). 

"Esto fue realmente inesperado. Descubrir que dos mecanismos separados de bloqueo de fonones, la superficie versus los isótopos, que antes se creía que eran independientes entre sí, ahora funcionan de manera sinérgica para nuestro beneficio en la conducción del calor es muy sorprendente pero también muy gratificante. dijo Wu.

"Junqiao y el equipo descubrieron un nuevo fenómeno físico", dijo Ager. "Este es un verdadero triunfo para la ciencia impulsada por la curiosidad. Es bastante emocionante".

Wu dijo que el equipo planea llevar su descubrimiento al siguiente paso:investigar cómo "controlar, en lugar de simplemente medir, la conducción de calor en estos materiales". + Explora más

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