Kunne hullet silicium være elektronikkens hellige gral?

Elektronik-miniaturisering har lagt høj-powered computerkapacitet i hænderne på almindelige mennesker, men den igangværende nedskæring af integrerede kredsløb udfordrer ingeniører til at finde på nye måder at modvirke overophedning af komponenter.

Forskere ved University of California, Irvine fik for nylig et gennembrud med at verificere en ny materialekonfiguration for at lette afkøling. I en undersøgelse i tidsskriftet Nanoteknologi , medlemmer af UCI's Nano Thermal Energy Research Group fremhæver egenskaberne ved holey silicium, en computerchip wafer med lille, lodret ætsede åbninger, der arbejder for at transportere varme til ønskede steder.

"Vi fandt ud af, at varme foretrækker at rejse lodret igennem, men ikke sideværts hen over hullet silicium, hvilket betyder, at materialet effektivt kan flytte varmen fra lokale hot spots til on-chip kølesystemer i lodret retning og samtidig opretholde den nødvendige temperaturgradient for termoelektriske forbindelser i lateral retning, " sagde den tilsvarende forfatter Jaeho Lee, UCI assisterende professor i mekanisk og rumfartsteknik.

"Denne innovation kunne potentielt være ideel til at holde elektroniske enheder såsom smartphones kølige under drift, " sagde hovedforfatter Zongqing Ren, en kandidatstuderende forsker i NTERG.

Han sagde, at laboratoriesimuleringer viste, at køleeffektiviteten af ​​holey silicium er mindst 400 procent bedre end chalcogenider, forbindelser, der almindeligvis anvendes i termoelektriske køleanordninger.

Laboratoriets hullede siliciumforskning er en opfølgning på en undersøgelse offentliggjort i Naturkommunikation i begyndelsen af ​​2017, hvor Lee, som hovedforfatter, og hans UC Berkeley-baserede samarbejdspartnere brugte siliciumnetmateriale i nanometerskala til at undersøge egenskaber af fononer, kvasipartikler, der giver forskerne indsigt i termiske transportmekanismer.

"Vi ved, at fononer kan vise bølgelignende såvel som partikellignende adfærd under termisk transport, " sagde Lee. "Ved at bruge masker med forskellige hulstørrelser og mellemrum, vi var i stand til at afklare komplekse termiske transportmekanismer på nanoskala."

Viden opnået fra den tidligere undersøgelse hjalp hans team med at forstå, hvor lille, halsformede strukturer skabt af de ætsede huller i hullet silicium forårsager fonon tilbagespredning, en partikeleffekt, der fører til lav varmeledningsevne i planet. Høj termisk ledningsevne på tværs af plan blev forårsaget af langbølgelængdefononer, der hjælper med at flytte varmen væk.

Lee sagde, at temperaturproblemet i elektronik er vokset i de sidste par år, da mikrochipdesignere ser ud til at have nået en størrelsesgrænse. Med større komponenter, producenter kan bruge kølelegemer, finner og endda blæsere for at lede varmen væk fra kritisk hardware. På nutidens tætpakkede chips med milliarder af transistorer i nanoskala – ofte klemt i slanke, forbrugerprodukter til lommer – der er ikke plads til sådanne køleteknologier.

Andre nøglespørgsmål er lang levetid og pålidelighed. Halvlederchips bliver indlejret mange nye steder - fungerer som sensorer og aktuatorer i biler og apparater og som knudepunkter langs tingenes internet. Disse enheder forventes at køre kontinuerligt i år og endda årtier. Længerevarende udsættelse for varme kan forårsage svigt af en sådan infrastruktur.

"På den ene side, nanoteknologi har åbnet en helt ny verden af ​​muligheder, men på den anden side, det har skabt en lang række udfordringer, " sagde Lee. "Det er vigtigt, at vi fortsætter med at udvikle en bedre forståelse af det grundlæggende i termisk transport og finde måder at kontrollere varmeoverførsel på nanoskala."