Новый материал может быть использован как нанохолодильник для микрочипов

 


Испанские исследователи разработали материал, который может быть использован в скоростных компьютерах как нанохолодильник для чипов. Материал этот основан на германиевых наноструктурах и имеет существенно малую теплопроводность, что делает его потенциальным кандидатом в разработке термоэлектрических систем, сравнимых по эффективности с кремниевыми

В последние годы разработка и производство контуров наноразмеров для интегрированных систем стало одной из передовых тем исследований в новом материаловедении. Среди наиболее интересных и важных характеристик при проектировании микрочипов – термопроводность элементов и устройств, интегрированных в чип, то есть их способность поглощать или уводить тепло. Эта характеристика является весьма критичной при контроле нагрева микроконтуров и представляет собой существенный ограничитель физических размеров потенциально малых компьютеров. Сочетание тепла и электричества создает термоэлектрические эффекты, которые лимитируют возможность охлаждения контуров и повышения мощности вычислений. До настоящего времени не существует материалов, обладающих достаточно высокими свойствами с точки зрения термоэлектрического поведения. Вот почему таким важным для улучшения термоэлектрических свойств может оказаться создание наноматериалов, поскольку такие материалы могут обладать существенно более низкой термопроводностью при одновременно высокой электропроводности, что и определяет высокую термоэлектрическую эффективность.

Исследователи с кафедры физики Университета Барселоны (UAB Department of Physics) и Барселонского института материаловедения (Barcelona Institute of Materials Science) в совместном проекте работали над созданием нового материала, сформированного двумя взаимодополняющими слоями, один из которых изготовлен из кремниевых, а другой – германиевых нанокристаллов (квантовые точки). По сравнению с существующими пректами, здесь основной идеей является расположение квантовых точек в некоррелированном соотношении в соседствующих слоях. Другими словами, квантовые точки из одного слоя не совпадают по вертикали с квантовыми точками из другого слоя. Этого добиваются введением дополнительного углеродного подслоя между слоями кремниевых и германиевых квантовых точек. Промежуточный слой скрывает информацию о размещении квантовых точек в соседствующих слоях полупроводников.

Основной результат такой «декорреляции» между соседними слоями- уменьшение термопроводности, поскольку процесс прямого переноса тепла затрудняется отсутствием прямых путей, перпендикулярных поверхностям. Ученым удалось показать, что при переходе от вертикально коррелированных к некоррелированным слоям термопроводность уменьшается более, чем в 2 раза. Такой результат серьезно стимулирует дальнейшие разработки материалов с улучшенными термоэлектрическими свойствами, как альтернативу кремниевым структурам.

Структуры, базирующиеся на германии могут быть также успешно использованы в высоко-температурных приложениях, таких как восстановление тепла в процессах горения и превращение его в электрическую энергию.

Второй и весьма важный аспект обсуждаемого проекта – это теоретическое обоснование тепловых свойств такого материала. Теоретическое исследование проводилось на простой модели, основанной на модифицированном тепловом уравнении Фурье, с помощью которого можно прогнозировать поведение системы в зависимости от размеров ее параметров. Как результат теоретических разработок – более полное понимание теоретических основ поведения разработанных наноструктурных материалов.

Руководитель проекта – Хавьер Родригес-Вьехо (Javier Rodríguez-Viejo) – профессор кафедры физики Университета Барселоны. В группу профессора Родригеса входило несколько физиков из Кафедры Физики Университета Барселоны, а также исследователи из Барселонского института материаловедения. Статья по результатам исследований была опубликована в журнале Applied Physics Letters: (J. Alvarez-Quintana, X. Alvarez, J. Rodriguez-Viejo, D. Jou, P. D. Lacharmoise, A. Bernardi, A. R. Goñi, M. I. Alonso, «Cross-plane thermal conductivity reduction of vertically uncorrelated Ge/Si quantum dot superlattices», APPLIED PHYSICS LETTERS, July 2008).

Евгений Биргер

NanoNewsNet