Изображение от трансмисионна електронна микроскопия, показващо наножица от силиций-28, покрита със силициев диоксид (SiO2). (Кредит: Матю Р. Джоунс и Мухуа Сун/Университет Райс)
Учените демонстрираха нов материал, който провежда топлина със 150% по-ефективно от конвенционалните материали, използвани в съвременните технологии за чипове.
Устройството – ултратънка силициева наножица – може да позволи по-малка, по-бърза микроелектроника с ефективност на пренос на топлина, която надминава настоящите технологии. Електронните устройства, захранвани от микрочипове, които ефективно разсейват топлината, на свой ред ще консумират по-малко енергия – подобрение, което може да помогне за смекчаване на потреблението на енергия, произведена от изгарянето на богати на въглерод изкопаеми горива, които са допринесли за глобалното затопляне.
„Чрез преодоляване на естествените ограничения на силиция в способността му да провежда топлина, нашето откритие се справя с препятствие в инженерството на микрочипове“, каза Junqiao Wu, учен, ръководил проучването Physical Review Letters, съобщаващо за новото устройство. Ву е учен факултет в Отдела по материалознание и професор по материалознание и инженерство в UC Berkeley.
Бавният поток на топлина през силиций
Нашата електроника е сравнително достъпна, тъй като силицийът – предпочитаният материал за компютърни чипове – е евтин и изобилен. Но въпреки че силицийът е добър проводник на електричество, той не е добър проводник на топлина, когато е намален до много малки размери – а когато става въпрос за бързи изчисления, това представлява голям проблем за малките микрочипове.
Изобразяване на микрочип от художник. (Кредит: dmitriy-orlovskiy/Shutterstock)
Във всеки микрочип се намират десетки милиарди силициеви транзистори, които насочват потока от електрони към и извън клетките на паметта, кодирайки битове данни като единици и нули, двоичният език на компютрите. Електрически токове протичат между тези упорито работещи транзистори и тези токове неизбежно генерират топлина.
Топлината естествено преминава от горещ към хладен обект. Но топлинният поток става труден в силиция.
В естествената си форма силицийът се състои от три различни изотопа – форми на химичен елемент, съдържащи равен брой протони, но различен брой неутрони (оттук и различна маса) в своите ядра.
Около 92% от силиция се състои от изотопа силиций-28, който има 14 протона и 14 неутрона; около 5% е силиций-29, с тегло 14 протона и 15 неутрона; и само 3% е силиций-30, относително тежък с 14 протона и 16 неутрона, обясни съавторът Джоел Агер, който има титли старши учен в Отдела за материални науки на лабораторията Бъркли и помощник-професор по материалознание и инженерство в Калифорнийския университет в Бъркли.
Отляво: Junqiao Wu и Joel Ager. (Кредит: Thor Swift/Berkeley Lab; снимка на Joel Ager с любезното съдействие на UC Berkeley)
Тъй като фононите, вълните от атомни вибрации, които пренасят топлина, се проправят през кристалната структура на силиция, посоката им се променя, когато се сблъскат със силиций-29 или силиций-30, чиито различни атомни маси „объркват“ фононите, забавяйки ги надолу.
„Фононите в крайна сметка схващат идеята и намират пътя си към студения край, за да охладят силициевия материал“, но този индиректен път позволява натрупването на отпадна топлина, което на свой ред забавя и компютъра ви, каза Агер.
Голяма стъпка към по-бърза, по-плътна микроелектроника
В продължение на много десетилетия изследователите теоретизираха, че чиповете, направени от чист силиций-28, ще преодолеят границата на топлопроводимост на силиция и следователно ще подобрят скоростите на обработка на по-малката, по-плътна микроелектроника .
Но пречистването на силиций до един изотоп изисква интензивни нива на енергия, които малко съоръжения могат да осигурят – и още по-малко са специализирани в производството на готови за пазара изотопи, каза Агер.
За щастие международен проект от началото на 2000-те позволи на Ager и водещия експерт по полупроводникови материали Юджийн Халер да доставят газ силициев тетрафлуорид – изходен материал за изотопно пречистен силиций – от завод за производство на изотопи от бившия съветски период. (Халър основава финансираната от DOE програма за електронни материали на Berkeley Lab през 1984 г. и беше старши учен факултет в отдела за материални науки на Berkeley Lab и професор по материалознание и минерално инженерство в UC Berkeley. Той почина през 2018 г.)
Това доведе до поредица от пионерски експерименти, включително проучване от 2006 г., публикувано в Nature, при което Агер и Халер оформиха силиций-28 в единични кристали, които използваха, за да демонстрират квантова памет, съхраняваща информация като квантови битове или кубити, единици данни съхранени едновременно като единица и нула в завъртането на електрона.
Изображение от оптична микроскопия на кристал от 99,92% силиций-28. Ученият от лабораторията в Бъркли Junqiao Wu и неговият екип са използвали материала за производство на нанопроводници. (Кредит: Junqiao Wu/Berkeley Lab)
Впоследствие беше показано, че полупроводникови тънки филми и монокристали, направени със силициев изотопен материал на Ager и Haller, имат 10% по-висока топлопроводимост от естествения силиций – подобрение, но от гледна точка на компютърната индустрия, вероятно недостатъчно, за да се оправдае харчат хиляди пъти повече пари за изграждане на компютър от изотопно чист силиций, каза Агер.
Но Агер знаеше, че изотопните силициеви материали са от научно значение отвъд квантовите изчисления. Затова той запази това, което остана на сигурно място в лабораторията Бъркли, само в случай, че други учени може да се нуждаят от него, тъй като малко хора имат ресурсите да произвеждат или дори да купуват изотопно чист силиций, разсъждава той.
Път към по-хладна технология със силиций-28
Преди около три години Ву и неговият студент Penghong Ci се опитваха да измислят нови начини за подобряване на скоростта на пренос на топлина в силициевите чипове.
Една стратегия за създаване на по-ефективни транзистори включва използването на тип нанопроводник, наречен Gate-All-Around Field Effect Transistor. В тези устройства силициевите нанопроводници са подредени, за да провеждат електричество и топлината се генерира едновременно, обясни Ву. „И ако генерираната топлина не се извлече бързо, устройството ще спре да работи, подобно на пожарна аларма, която звучи във висока сграда без карта за евакуация“, каза той.
Но пренасянето на топлина е още по-лошо в силициевите нанопроводници, защото грапавите им повърхности – белези от химическа обработка – разпръскват или „объркват“ фононите още повече, обясни той.
Изображение от оптична микроскопия на микроустройство, състоящо се от две окачени подложки, свързани със силициева наножица. (Кредит: Junqiao Wu/Berkeley Lab)
„И след това един ден се чудехме: „Какво би се случило, ако направим наножица от изотопно чист силиций-28?“, каза Ву.
Силициевите изотопи не са нещо, което човек може лесно да купи на свободния пазар и се разчу, че Ager все още има някои силициеви изотопни кристали на съхранение в лабораторията Бъркли – не много, но все пак достатъчно, за да сподели „ако някой има страхотно идея за това как да го използваме“, каза Агер. „И новото проучване на Junqiao беше такъв случай.“
Изненадващо голямо разкритие с нано тестове
„Наистина сме щастливи, че Джоел случайно разполага с изотопно обогатения силициев материал, готов за използване за изследването“, каза Ву.
Използвайки силициевите изотопни материали на Ager, екипът на Wu тества топлопроводимостта в насипни кристали силиций-28 с размер 1 милиметър в сравнение с естествен силиций – и отново техният експеримент потвърди това, което Ager и неговите сътрудници откриха преди години – че насипният силиций- 28 провежда топлина само с 10% по-добре от естествения силиций.
Сега за нано теста. Използвайки техника, наречена безелектрическо ецване, Ci направи естествен силиций и нанопроводници от силиций-28 с диаметър само 90 нанометра (милиардни от метъра) – около хиляда пъти по-тънки от една нишка човешка коса.
За да измери топлопроводимостта, Ci окачи всяка наножица между две микронагревателни подложки, снабдени с платинени електроди и термометри, и след това приложи електрически ток към електрода, за да генерира топлина върху едната подложка, която преминава към другата подложка чрез нанопровода.
„Очаквахме да видим само допълнителна полза – около 20% – от използването на изотопно чист материал за топлопроводимост на нанопроводници“, каза Ву.
Но измерванията на Ci ги учудиха. Нанопроводниците Si-28 провеждат топлина не с 10% или дори 20%, а 150% по-добре от естествените силициеви нанопроводници със същия диаметър и грапавост на повърхността.
Това се противопостави на всичко, което очакваха да видят, каза Ву. Грапавата повърхност на нанопровода обикновено забавя фононите. И така, какво ставаше?
ТЕМ (трансмисионна електронна микроскопия) изображения с висока разделителна способност на материала, заснети от Матю Р. Джоунс и Мухуа Сун от университета Райс, разкриха първата следа: подобен на стъкло слой от силициев диоксид върху повърхността на нанопровода от силиций-28.
Изчислителни симулационни експерименти в Университета на Масачузетс Амхърст, ръководени от Златан Аксамия, водещ експерт по топлопроводимостта на нанопроводниците, разкриха, че отсъствието на изотопни „дефекти“ – силиций-29 и силиций-30 – не позволява на фононите да избягат повърхността, където слоят силициев диоксид би забавил драстично фононите. Това от своя страна поддържаше фононите в правилната посока по посока на топлинния поток - и следователно по-малко "объркани" - вътре в "ядрото" на нанопровода от силиций-28. (Aksamija в момента е доцент по материалознание и инженерство в Университета на Юта.)
„Това беше наистина неочаквано. Да открием, че два отделни механизма за блокиране на фонони – повърхността спрямо изотопите, за които преди се смяташе, че са независими един от друг – сега работят синергично в наша полза при топлопроводимостта, е много изненадващо, но също така и много удовлетворяващо“, каза Ву.
„Junqiao и екипът откриха нов физически феномен“, каза Агер. „Това е истински триумф за водената от любопитство наука. Доста е вълнуващо.“
Wu каза, че следващият екип планира да премине откритието си към следващата стъпка: като проучи как да „контролира, вместо просто да измерва, топлопроводимостта в тези материали“.
Изследователи от университета Райс; Университета на Масачузетс-Амхърст; Университетът Шенжен и университетът Цинхуа участваха в проучването.
Тази работа беше подкрепена от Научната служба на DOE.
###
Основана през 1931 г. с убеждението, че най-големите научни предизвикателства се решават най-добре от екипи, Националната лаборатория на Лорънс Бъркли и нейните учени са носители на 14 Нобелови награди. Днес изследователите на лабораторията Бъркли разработват устойчиви енергийни и екологични решения, създават полезни нови материали, разширяват границите на изчислителната техника и изследват мистериите на живота, материята и вселената. Учени от цял свят разчитат на съоръженията на лабораторията за своите собствени научни открития. Berkeley Lab е многопрограмна национална лаборатория, управлявана от Калифорнийския университет за Службата по наука на Министерството на енергетиката на САЩ.
Научната служба на DOE е най-големият поддръжник на фундаментални изследвания в областта на физическите науки в Съединените щати и работи за справяне с някои от най-належащите предизвикателства на нашето време. За повече информация, моля, посетете energy.gov/science.
ShareTweetReddit57Share57 Споделяния
