Krzemowe nanodruty wytrzymują w wysokich temperaturach, a jedna zaskoczyła samych naukowców

Naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley zaprojektowali materiał, który przewodzi ciepło o 150% skuteczniej niż powszechnie stosowane w zaawansowanych technologiach układów scalonych.

Dzięki temu możliwe stanie się tworzenie mniejszych i szybszych elementów elektronicznych o niewielkich rozmiarach. Ta tzw. mikroelektronika mogłaby mieć wydajność przekazywania ciepła przewyższającą obecnie stosowane technologie. Urządzenia zasilane mikroprocesorami skutecznie odprowadzającymi ciepło zużywałyby mniej energii, co z kolei byłoby niezwykle pożądane w kontekście walki z globalnym ociepleniem.

Czytaj też: Zwiększanie produkcji półprzewodników bez wyścigu po dotację. Co to oznacza?

Wyniki badań zostały przedstawione na łamach Physical Review Letters, a autorzy publikacji wyjaśniają, że krzem, z którego wykonuje się układy komputerowe, jest tani i występuje w dużych ilościach. I choć nieźle sprawdza się on w roli przewodnika elektryczności, to nie jest dobrym przewodnikiem ciepła – szczególnie, gdy zostaje przeskalowany do niewielkich rozmiarów.

W naturalnej postaci krzem składa się z trzech różnych izotopów. W znakomitej większości jest to krzem-28, który posiada 14 protonów i 14 neutronów. Około 5% to krzem-29, złożony z 14 protonów i 15 neutronów. Za zaledwie 3% odpowiada natomiast krzem-30, mający 14 protonów i 16 neutronów. Gdy fonony, czyli kwazicząstki w postaci fal drgań atomowych, przechodzą przez strukturę krystaliczną krzemu, ich kierunek zmienia się, gdy trafiają na krzem-29 lub krzem-30. Różne masy atomowe tych izotopów „mylą” fonony, spowalniając je. I choć ostatecznie udaje im się odnaleźć drogę, to konsekwencje są jasne: oparte na krzemie układy działają wolniej.

Naukowcy cały czas szukali więc wydajniejszych rozwiązań, a jedno z proponowanych polega na użyciu nanodrutu zwanego tranzystorem typu Gate-All-Around Field Effect Transistor. Nanodruty krzemowe są w tym przypadku ułożone jeden na drugim w celu przewodzenia prądu elektrycznego, a jednocześnie generowane jest ciepło. Gdy nie zostanie ono szybko odprowadzone, urządzenie przestanie działać. Klucz do sukcesu? Nanodrut z izotopowo czystego krzemu-28.

Czytaj też: Nowy nadprzewodnik przyspieszy komputery kwantowe 400 razy. Jego twórca przewiduje wiek nadprzewodników

W toku badań poświęconych przewodnictwu cieplnemu w kryształach krzemu-28 o wielkości 1 milimetra w porównaniu z naturalnym krzemem okazało się, że przewodzi on ciepło tylko o 10% lepiej niż „zwykły” krzem. Badacze postanowili wyprodukować z naturalnego krzemu i krzemu-28 nanodruty o średnicy zaledwie 90 nanometrów. Wtedy też okazało się, iż nanodruty z krzemu-28 przewodziły ciepło o 150% skuteczniej niż nanodruty z naturalnego krzemu o tej samej średnicy i chropowatości powierzchni. Sami autorzy byli zaskoczeni, dlatego teraz zamierzają wyjaśnić, czy da się kontrolować to przewodnictwo.