Krzemowe nanodruty mogą naprawdę wytrzymać ciepło

Naukowcy zademonstrowali nowy materiał, który przewodzi ciepło o 150% wydajniej niż konwencjonalne materiały stosowane w zaawansowanych technologiach układów scalonych.

Urządzenie to – ultracienki nanodrut krzemowy – może umożliwić stworzenie mniejszych, szybszych mikroelektroników o wydajności przekazywania ciepła przewyższającej obecne technologie. Urządzenia elektroniczne zasilane przez mikroprocesory, które skutecznie odprowadzają ciepło, zużywałyby mniej energii – to ulepszenie mogłoby pomóc w zmniejszeniu zużycia energii wytwarzanej podczas spalania bogatych w węgiel paliw kopalnych, które przyczyniają się do globalnego ocieplenia.

„Przezwyciężając naturalne ograniczenia krzemu w zakresie przewodzenia ciepła, nasze odkrycie rozwiązuje problem w inżynierii mikroprocesorów” – powiedział Junqiao Wu, naukowiec, który kierował badaniem Physical Review Letters, w którym opisano nowe urządzenie. Wu jest pracownikiem naukowym Wydziału Nauk o Materiałach oraz profesorem nauk materiałowych i inżynierii na UC Berkeley.

Powolny przepływ ciepła przez krzem

Nasza elektronika jest stosunkowo niedroga, ponieważ krzem – materiał, z którego wykonuje się chipy komputerowe – jest tani i występuje w dużych ilościach. Ale chociaż krzem jest dobrym przewodnikiem elektryczności, nie jest dobrym przewodnikiem ciepła, gdy jest zredukowany do bardzo małych rozmiarów – a jeśli chodzi o szybkie obliczenia, stanowi to duży problem dla maleńkich mikroprocesorów.

W każdym mikroprocesorze znajdują się dziesiątki miliardów tranzystorów krzemowych, które kierują przepływem elektronów do i z komórek pamięci, kodując bity danych jako jedynki i zera, czyli binarny język komputerów. Pomiędzy tymi ciężko pracującymi tranzystorami płyną prądy elektryczne, które nieuchronnie wytwarzają ciepło.

Ciepło naturalnie przepływa od gorącego obiektu do chłodnego. Ale w krzemie przepływ ciepła jest trudny.

W swojej naturalnej postaci krzem składa się z trzech różnych izotopów – form pierwiastka chemicznego zawierających w swoich jądrach taką samą liczbę protonów, ale różną liczbę neutronów (stąd różna masa).

Około 92% krzemu składa się z izotopu krzemu-28, który ma 14 protonów i 14 neutronów; około 5% to krzem-29, ważący 14 protonów i 15 neutronów; i tylko 3% to krzem-30, względna waga ciężka z 14 protonami i 16 neutronami, wyjaśnił współautor pracy, Joel Ager, który jest starszym naukowcem w Oddziale Nauk o Materiałach Berkeley Lab i adiunktem w dziedzinie nauk materiałowych i inżynierii na UC Berkeley.

Gdy fonony, fale drgań atomowych przenoszące ciepło, wiją się przez strukturę krystaliczną krzemu, ich kierunek zmienia się, gdy wpadają na krzem-29 lub krzem-30, których różne masy atomowe „mylą” fonony, spowalniając je.

„Fonony w końcu wpadają na pomysł i znajdują drogę do zimnego końca, aby schłodzić materiał krzemowy”, ale ta pośrednia ścieżka pozwala na gromadzenie się ciepła odpadowego, co z kolei spowalnia komputer, powiedział Ager.

Duży krok w kierunku szybszej i gęstszej mikroelektroniki

Przez wiele dziesięcioleci naukowcy zakładali, że chipy wykonane z czystego krzemu-28 pokonają ograniczenie przewodności cieplnej krzemu, a tym samym zwiększą szybkość przetwarzania w mniejszych, gęstszych mikroelektronikach.

Oczyszczanie krzemu do poziomu pojedynczego izotopu wymaga jednak dużych ilości energii, którą może dostarczyć niewiele zakładów, a jeszcze mniej z nich specjalizuje się w produkcji izotopów gotowych do wprowadzenia na rynek – mówi Ager.

Na szczęście międzynarodowy projekt z początku XXI wieku umożliwił Agerowi i czołowemu ekspertowi w dziedzinie materiałów półprzewodnikowych, Eugene’owi Hallerowi, pozyskanie tetrafluorku krzemu – materiału wyjściowego do izotopowo oczyszczonego krzemu – z byłej radzieckiej fabryki produkującej izotopy. (Haller założył w 1984 roku finansowany przez DOE Program Materiałów Elektronicznych Berkeley Lab i był starszym pracownikiem naukowym w Oddziale Nauk o Materiałach Berkeley Lab oraz profesorem materiałoznawstwa i inżynierii mineralnej na UC Berkeley. Zmarł w 2018 r.).

Doprowadziło to do serii pionierskich eksperymentów, w tym opublikowanego w 2006 r. w Nature badania, w ramach którego Ager i Haller stworzyli z krzemu-28 pojedyncze kryształy, które wykorzystali do zademonstrowania pamięci kwantowej przechowującej informacje w postaci bitów kwantowych (qubitów) – jednostek danych przechowywanych jednocześnie jako jedynki i zera w spinie elektronu.

Następnie wykazano, że półprzewodzące cienkie warstwy i pojedyncze kryształy wykonane z materiału zawierającego izotopy krzemu Agera i Hallera mają o 10% wyższą przewodność cieplną niż krzem naturalny – jest to poprawa, ale z punktu widzenia przemysłu komputerowego prawdopodobnie niewystarczająca, aby uzasadnić wydanie tysiąca razy więcej pieniędzy na zbudowanie komputera z izotopowo czystego krzemu, powiedział Ager.

Ager wiedział jednak, że materiały z izotopów krzemu mają znaczenie naukowe wykraczające poza obliczenia kwantowe. Zachował więc to, co pozostało, w bezpiecznym miejscu w Berkeley Lab, na wszelki wypadek, gdyby inni naukowcy mogli tego potrzebować, ponieważ niewiele osób ma środki na wytworzenie lub nawet zakup izotopowo czystego krzemu – rozumował.

Droga do chłodniejszej technologii dzięki krzemowi-28

Około trzech lat temu Wu i jego student Penghong Ci próbowali znaleźć nowe sposoby na poprawę wydajności wymiany ciepła w krzemowych układach scalonych.

Jedna ze strategii tworzenia bardziej wydajnych tranzystorów polega na zastosowaniu rodzaju nanodrutu zwanego tranzystorem typu Gate-All-Around Field Effect Transistor. W tych urządzeniach nanodruty krzemowe są ułożone jeden na drugim, aby przewodzić prąd elektryczny, a jednocześnie generowane jest ciepło, wyjaśnia Wu. „Jeśli wytworzone ciepło nie zostanie szybko odprowadzone, urządzenie przestanie działać, podobnie jak alarm przeciwpożarowy w wysokim budynku bez mapy ewakuacyjnej” – powiedział.

Jednak transport ciepła jest jeszcze gorszy w przypadku nanowirów krzemowych, ponieważ ich chropowate powierzchnie – blizny po obróbce chemicznej – jeszcze bardziej rozpraszają lub „mylą” fonony, wyjaśnił.

„Pewnego dnia zastanawialiśmy się: 'Co by się stało, gdybyśmy zrobili nanodrut z izotopowo czystego krzemu-28?'” powiedział Wu.

Izotopy krzemu nie są czymś, co można łatwo kupić na wolnym rynku. Wieść niesie, że Ager ma jeszcze trochę kryształów izotopów krzemu w magazynie w Berkeley Lab – niedużo, ale wystarczająco dużo, by się nimi podzielić, „jeśli ktoś ma świetny pomysł, jak je wykorzystać” – powiedział Ager. „Nowe badanie Junqiao było właśnie takim przypadkiem”.

Zaskakująco wielkie odkrycie dzięki badaniom nano

„Mamy wielkie szczęście, że Joel akurat miał materiał krzemowy wzbogacony izotopowo, gotowy do wykorzystania w badaniach” – powiedział Wu.

Wykorzystując materiały Agera wzbogacone izotopami krzemu, zespół Wu zbadał przewodnictwo cieplne w kryształach krzemu-28 o wielkości 1 milimetra w porównaniu z naturalnym krzemem – i ponownie eksperyment potwierdził to, co Ager i jego współpracownicy odkryli wiele lat temu – że krzem-28 w postaci sypkiej przewodzi ciepło tylko o 10% lepiej niż krzem naturalny.

Teraz test w skali nano. Za pomocą techniki zwanej trawieniem bezelektrodowym Ci wytworzył z naturalnego krzemu i krzemu-28 nanodruty o średnicy zaledwie 90 nanometrów (miliardowych części metra) – około tysiąc razy cieńsze niż pojedynczy kosmyk ludzkiego włosa.

Aby zmierzyć przewodnictwo cieplne, Ci zawiesił każdy nanodrut pomiędzy dwoma mikropodkładkami wyposażonymi w platynowe elektrody i termometry, a następnie przyłożył prąd elektryczny do elektrody, aby wytworzyć ciepło na jednej podkładce, które przepływa do drugiej podkładki poprzez nanodrut.

„Spodziewaliśmy się, że zaobserwujemy jedynie dodatkową korzyść – około 20% – z zastosowania izotopowo czystego materiału do przewodzenia ciepła przez nanodruty” – powiedział Wu.

Ale pomiary Ci’ego zadziwiły ich wszystkich. Nanodruty Si-28 przewodziły ciepło nie o 10% czy nawet 20%, ale o 150% lepiej niż nanodruty z naturalnego krzemu o tej samej średnicy i chropowatości powierzchni.

„To zaprzeczyło wszystkiemu, co spodziewali się zobaczyć” – powiedział Wu. Chropowata powierzchnia nanodrutów zazwyczaj spowalnia fonony. Co więc się dzieje?

Zdjęcia materiału wykonane przez Matthew R. Jonesa i Muhua Sun z Uniwersytetu Rice’a w TEM (transmisyjna mikroskopia elektronowa) o wysokiej rozdzielczości ujawniły pierwszą wskazówkę: szklistą warstwę dwutlenku krzemu na powierzchni nanodrutu krzemowego-28.

Eksperymenty symulacji obliczeniowych na Uniwersytecie Massachusetts Amherst prowadzone przez Zlatana Aksamiję, czołowego eksperta w dziedzinie przewodnictwa cieplnego nanodrutów, ujawniły, że brak „defektów” izotopowych – krzemu-29 i krzemu-30 – uniemożliwił fononom ucieczkę na powierzchnię, gdzie warstwa dwutlenku krzemu drastycznie spowolniłaby fonony. To z kolei utrzymywało fonony na ścieżce zgodnej z kierunkiem przepływu ciepła – a zatem mniej „zagubione” – wewnątrz „rdzenia” nanodrutu krzemowego-28. (Aksamija jest obecnie profesorem nadzwyczajnym w dziedzinie nauki i inżynierii materiałowej na Uniwersytecie Utah).

„To było naprawdę niespodziewane. Odkrycie, że dwa oddzielne mechanizmy blokowania fononów – powierzchnia i izotopy, które wcześniej uważano za niezależne od siebie – teraz działają synergicznie na naszą korzyść w przewodzeniu ciepła, jest bardzo zaskakujące, ale też bardzo satysfakcjonujące” – powiedział Wu.

„Junqiao i jego zespół odkryli nowe zjawisko fizyczne” – powiedział Ager. „To prawdziwy triumf nauki opartej na ciekawości. To bardzo ekscytujące.”

Wu powiedział, że zespół planuje zrobić kolejny krok: zbadać, jak „kontrolować, a nie tylko mierzyć, przewodzenie ciepła w tych materiałach”.

W badaniach uczestniczyli naukowcy z Uniwersytetu Rice, Uniwersytetu Massachusetts-Amherst, Uniwersytetu Shenzhen i Uniwersytetu Tsinghua.

Prace były wspierane przez DOE Office of Science.

Źródło: DOE/LBL