Kæmpe reduktion af varmeledning observeret i flade siliciumkanaler

Kombinerer state-of-the-art realistisk atomistisk modellering og eksperimenter, et nyt papir beskriver, hvordan varmeledningsevne for en ultratynd siliciummembran i høj grad styres af strukturen og overfladens kemiske sammensætning. En detaljeret forståelse af forbindelserne mellem fremstilling og behandling til strukturelle og termiske egenskaber ved lavdimensionelle nanostrukturer er afgørende for at designe materialer og enheder til fonologi, nanoskala termisk styring, og termoelektriske applikationer.

Materialers evne til at lede varme er et begreb, som vi alle kender fra hverdagen. Den moderne historie om termisk transport går tilbage til 1822, da den strålende franske fysiker Jean-Baptiste Joseph Fourier udgav sin bog "Théorie analytique de la chaleur" ("The Analytic Theory of Heat"), som blev en hjørnesten for varmetransport. Han påpegede, at varmeledningsevnen, dvs. forholdet mellem varmestrømmen og temperaturgradienten, er en iboende egenskab ved selve materialet.

Fremkomsten af ​​nanoteknologi, hvor reglerne for klassisk fysik gradvist svigter, efterhånden som dimensionerne skrumper, udfordrer Fouriers teori om varme på flere måder. Et papir udgivet i ACS Nano og ledet af forskere fra Max Planck Institute for Polymer Research (Tyskland), det catalanske institut for nanovidenskab og nanoteknologi (ICN2) på campus ved Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) (Spanien) og VTT Technical Research Center i Finland (Finland) beskriver, hvordan topologi i nanometer-skala og overfladens kemiske sammensætning kontrollere termisk ledningsevne af ultratynde siliciummembraner. Arbejdet blev finansieret af European Project Membrane-based phonon engineering for energy harvesting (MERGING).

Resultaterne viser, at varmeledningsevnen for siliciummembraner, der er tyndere end 10 nm, er 25 gange lavere end for krystallinsk bulk silicium og i høj grad styres af strukturen og den kemiske sammensætning af deres overflade. Kombination af state-of-the-art realistisk atomistisk modellering, sofistikerede fremstillingsteknikker, nye målingstilgange og state-of-the-art parameterfri modellering, forskere afslørede overfladeoxidationens rolle ved bestemmelse af spredning af kvantiserede gittervibrationer (fononer), som er de vigtigste varmebærere i silicium.

Både eksperimenter og modellering viste, at fjernelse af det oprindelige oxid forbedrer termisk ledningsevne for siliciumnanostrukturer med næsten en faktor to, mens successiv delvis re-oxidation sænker den igen. Storstilet molekylær dynamiksimuleringer med op til 1, 000, 000 atomer tillod forskerne at kvantificere de relative bidrag til reduktionen af ​​den termiske ledningsevne som følge af tilstedeværelsen af ​​native SiO2 og fra den dimensionelle reduktion, der blev evalueret for en model med perfekt spekulære overflader.

Silicium er det foretrukne materiale til næsten alle elektronikrelaterede applikationer, hvor karakteristiske dimensioner under 10 nm er nået, f.eks. i FinFET -transistorer, og varmeafledningskontrol bliver afgørende for deres optimale ydeevne. Mens sænkning af varmeledningsevne induceret af oxidlag er skadelig for varmespredning i nanoelektroniske enheder, det vil blive nyttigt til høstning af termoelektrisk energi, hvor effektiviteten er afhængig af at undgå varmeudveksling på tværs af den aktive del af enheden.

Overfladernes kemiske karakter, derfor, fremstår som en ny nøgleparameter til forbedring af ydeevnen for Si-baserede elektroniske og termoelektriske nanodeapparater, såvel som for nanomekaniske resonatorer (NEMS). Dette arbejde åbner nye muligheder for nye termiske eksperimenter og designs, der er beregnet til at manipulere varme i sådanne skalaer.