Тепло нанопроволок

Современная микроэлектроника базируется на кремнии, материале широко распространенном и дешевом. Он хороший проводник электричества, но не тепла. Это критично для чипов малых размеров, для быстродействия которых нужно отводить от них энергию. Каждый такой компьютерный чип обычно содержит десятки миллиардов транзисторов, между которыми текут токи, а значит, и выделяется теплота.

Кремний естественного состава содержит смесь трех изотопов: Si-28 — 92%, Si-29 — 5% и Si-30 — 3%. Переносящие тепло атомные вибрации, фононы, по-разному замедляются и рассеиваются на разных изотопах, находящихся в узлах кристаллической решетки кремния. Это замедление напрямую связано с коэффициентом теплопроводности, ограничивающим быстродействие миниатюрных электронных элементов.

Десятилетиями ученые предполагали, что кристалл, очищенный от второго и третьего изотопов, будет иметь более высокую теплопроводность. Но очистка сложна и дорога, поэтому работ по этой теме немного. Ранее ученые выяснили, что моноизотопный кремний-28 проводит тепло всего на 10% лучше, чем натуральный.

Три года назад профессор инженерии и наук о материалах Калифорнийского университета Ву Юнгао (Junqiao Wu) задался целью изготовить транзисторные элементы из кремниевой нанопроволоки. Ее теплопроводность хуже, чем у обычных материалов, так как шершавая поверхность нанопроволок сильно рассеивает фононы.

В эксперименте ученые решили попробовать проволоки из атомарно чистого кремния диаметром 90 нанометров, что в тысячу раз тоньше человеческого волоса. Результат удивил профессора и его команду: теплопроводность возросла в два с половиной раза. Причина в том, что нанопроволоки покрывают слоем прозрачного диоксида кремния. И такая конструкция работает волноводом для фононов, которые теперь почти не рассеиваются на поверхности и других изотопах.

Так ученым удалось открыть новое физическое явление. Ему посвящена работа, опубликованная в ведущем физическом журнале США. Эффект работает при комнатных температурах, что очень важно для большинства приложений в микроэлектронике.

Более того, ученые установили, что явление существует и для многих других материалов микроэлектроники. В будущем авторы планируют научиться управлять величиной теплопроводности нанопроволок из них. (Physical Review Letters, 128, 8, 2022)