Designmetoden kan øge halvlederens ydeevne ved bedre håndtering af varme

At finde måder at styre strømmen af ​​varme i silicium kan øge ydeevnen af ​​halvledere, men, indtil nu, at opdage det rigtige design har været uhåndgribeligt. Nu, et hold af Penn State-forskere rapporterer, at en fremstillingsteknik kan tilbyde en vej til at mestre den ofte kaotiske strøm af varmebærere på nanoskala i silicium og andre halvledere.

I en undersøgelse, forskerne brugte supercomputere til at teste et design, der indsætter huller på nanometerstørrelse i en siliciumhalvleder og fandt ud af, at den resulterende model, som består af jævnt fordelte sfærisk-formede indeslutninger kan dramatisk påvirke evnen til at kanalisere varme via atomare vibrationer kaldet fononer. Indeslutningerne er huller med en radius på mellem 7 og 30 nanometer. Som en sammenligning, et menneskehår er omkring 80, 000 nanometer bred.

Forskerne tilføjede, at dette er et væsentligt skridt i retning af at forstå, hvordan man kontrollerer varmestrømmen gennem siliciumhalvledere og, en dag, forbedre ydeevnen af ​​disse chips.

Det er vanskeligt at kontrollere varmestrømmen på grund af den måde, hvorpå fononer rikochetterer gennem materialer på bestemte skalaer, sagde Ismaila Dabo, lektor i materialevidenskab og teknik.

"Når du ser på varme fra niveauet af at være lavet af fononer, de partikler, der leder varme, du indser hurtigt, at disse fononer kun kan gå så langt uden at blive afbøjet, sagde Dabo, som også er associeret med Institute of Computational and Data Sciences (ICDS), som driver den supercomputer, som holdets forskning blev udført på. "Så, der er kun en begrænset afstand, som en fonon kan rejse i materialet, og den afstand er i størrelsesordenen 50 nanometer til 1, 000 nanometer for de fleste materialer."

Når geometrien af ​​strukturerne lavet med disse materialer er i størrelsesordenen af ​​disse længdeskalaer, fononernes opførsel bliver mere kompliceret, ifølge Brian Foley, adjunkt i maskinteknik.

"I løbet af de sidste par årtier har folk forsøgt at konstruere materialer med lavere termisk ledningsevne til ting som termoelektrik og termiske barrierebelægninger, " sagde Foley. "Dette arbejde viser, at hvis du fortsætter denne nanostrukturerede tilgang ind i sub-10 nm regimet i et ordnet geometrisk system, du passerer gennem en minimal termisk ledningsevne og genvinder derefter hurtigt bulkegenskaberne, efterhånden som indeslutningerne fortsætter med at skrumpe og i sidste ende forsvinder. Nu, at være i stand til at få adgang til den anden side af dette minimum, Jeg synes, det bliver mere interessant, fordi vi kan designe materialer med termisk ledningsevne, der er mere følsomme over for størrelsesparametre."

Selvom dette arbejde repræsenterer et vigtigt skridt, det er stadig kun et første skridt, ifølge forskerne, der rapporterer deres resultater i et nyligt nummer af ACS Nano . Imidlertid, det kan åbne op for andre muligheder, ud over computerchipforbedringer, i fremtiden. Designet kunne, for eksempel, hjælpe med at omdanne varme, der ellers kunne gå til spilde, til brugbar energi.

"Dette sætter et mål for det næste årti eller deromkring, Jeg tror, at bruge avancerede systemer som disse til at konstruere termiske ækvivalenter til elektriske enheder, såsom dioder og transistorer, " sagde Foley. "At fjerne varme og hjælpe med energieffektivitet ville være de mest direkte fordele ved disse termiske enheder - phonon computing og termisk computing er andre måder, de kan bruges på."

Forskerne sagde, at arbejdet også hjælper andre forskere med at udforske den ofte underlige verden af ​​at arbejde med fononer. Mens de fleste mennesker indser, at elektroner og fotoner kan udvise både bølgelignende og partikellignende adfærd, de ved måske ikke, at fononer har en lignende kvalitet, sagde Weinan Chen, færdiguddannet forskningsassistent og medførsteforfatter af papiret.

"Vi ved, at en elektron kan være enten en partikel eller en bølge, som er grundlaget for moderne fysik, " sagde Chen. "Det samme koncept gælder for fononer. Det kan ses som en partikel og det kan ses som en bølge. I dette tilfælde, det transporterer ikke længere elektricitet, det er en varmestrøm. Så, dette er meget følsomt over for temperaturen og hvordan temperaturen fordeles gennem materialet."

I modsætning til elektroner og fotoner, Fononer skal eksistere i en tilstand af kondenseret stof - hvilket giver forskere, der studerer fononer, en masse hovedpine.

"Vi tror nogle gange, at elektronikverdenen har lavet den - med veldefinerede ledningsbaner og svagt interagerende 'gasser' af elektroner og huller, der sjældent ser hinanden, " sagde Foley. "Men, varmeflow kan være sværere at studere, da det er svært at begrænse og bare går overalt; for ikke at tale om forviklingerne ved fononer, når de hopper ind i hinanden, de hopper ind i andre ting. Det er et sammenkoblet netværk af krydstale og kollisioner; det kan være et stort rod."

Disha Talreja, ph.d.-studerende og medførsteforfatter til værket, deler denne følelse, at sige, at måling af varmeflow i disse komplicerede strukturer var meget givende. sagde Talreja, "At syntetisere nanometer-størrelse porer på en ordnet måde i materialer som silicium og eksperimentelt at kunne fange teoretisk forudsagt diffusion af fononer gennem dem var virkelig en spændende rejse."

Dabo og Foley tilføjede, at evnen til præcist at designe disse nanostrukturer - eller tunability - ikke ville have været mulig uden nanofabrikationsteknikker udviklet af afdøde John Badding.

"Fabrikationsprocessen, til mig, er overvældende, " sagde Foley. "Hvad John Badding udviklede er forstyrrende, fordi det er en helt ny vej til at designe termiske strukturer. Jeg håber, at vi kan være med til at gøre denne del af hans arv til både de kemiske og bredere videnskaber."