Nieuwe silicium nanodraden kunnen de hitte echt aan

Wetenschappers hebben een nieuw materiaal aangetoond dat warmte 150% efficiënter geleidt dan conventionele materialen die worden gebruikt in geavanceerde chiptechnologieën.

Het apparaat – een ultradunne silicium nanodraad – zou kleinere, snellere micro-elektronica mogelijk maken met een warmteoverdrachtsefficiëntie die de huidige technologieën overtreft. Elektronische apparaten aangedreven door microchips die warmte efficiënt afvoeren, zouden op hun beurt minder energie verbruiken – een verbetering die zou kunnen helpen het energieverbruik te verminderen dat wordt geproduceerd door de verbranding van koolstofrijke fossiele brandstoffen die hebben bijgedragen aan de opwarming van de aarde.

“Door de natuurlijke beperkingen van silicium in zijn vermogen om warmte te geleiden te overwinnen, pakt onze ontdekking een hindernis in microchip-engineering aan”, zei Junqiao Wu, de wetenschapper die de leiding had over de Fysieke beoordelingsbrieven studie die het nieuwe apparaat rapporteert. Wu is een faculteitswetenschapper in de Materials Sciences Division en hoogleraar materiaalwetenschappen en engineering aan UC Berkeley.

De langzame stroom van warmte door silicium

Onze elektronica is relatief betaalbaar omdat silicium – het materiaal bij uitstek voor computerchips – goedkoop en overvloedig is. Maar hoewel silicium een ​​goede geleider van elektriciteit is, is het geen goede warmtegeleider wanneer het wordt verkleind tot zeer kleine afmetingen – en als het gaat om snel computergebruik, vormt dat een groot probleem voor kleine microchips.

Binnen elke microchip bevinden zich tientallen miljarden siliciumtransistoren die de stroom van elektronen in en uit geheugencellen sturen, en databits coderen als enen en nullen, de binaire taal van computers. Tussen deze hardwerkende transistors lopen elektrische stromen en deze stromen genereren onvermijdelijk warmte.

Warmte stroomt van nature van een heet object naar een koud object. Maar warmtestroom wordt lastig in silicium.

In zijn natuurlijke vorm bestaat silicium uit drie verschillende isotopen – vormen van een chemisch element met een gelijk aantal protonen maar een verschillend aantal neutronen (vandaar verschillende massa) in hun kernen.

Ongeveer 92% van silicium bestaat uit de isotoop silicium-28, die 14 protonen en 14 neutronen heeft; ongeveer 5% is silicium-29, met een gewicht van 14 protonen en 15 neutronen; en slechts 3% is silicium-30, een relatief zwaargewicht met 14 protonen en 16 neutronen, legt co-auteur Joel Ager uit, die titels heeft van senior wetenschapper in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en adjunct-professor materiaalwetenschappen en engineering aan UC Berkeley.

Als fononen, de golven van atomaire trillingen die warmte vervoeren, zich een weg banen door de kristallijne structuur van silicium, verandert hun richting wanneer ze tegen silicium-29 of silicium-30 botsen, waarvan de verschillende atoommassa’s de fononen “verwarren”, waardoor ze worden vertraagd.

“De fononen krijgen uiteindelijk het idee en vinden hun weg naar het koude einde om het siliciummateriaal af te koelen”, maar dit indirecte pad zorgt ervoor dat afvalwarmte kan worden opgebouwd, wat op zijn beurt ook je computer vertraagt, zei Ager.

Een grote stap in de richting van snellere, dichtere micro-elektronica

Gedurende vele decennia theoretiseerden onderzoekers dat chips gemaakt van puur silicium-28 de thermische geleidbaarheidslimiet van silicium zouden overschrijden en daarom de verwerkingssnelheden van kleinere, dichtere micro-elektronica zouden verbeteren.

Maar het zuiveren van silicium tot een enkele isotoop vereist intense energieniveaus die maar weinig faciliteiten kunnen leveren – en nog minder zijn gespecialiseerd in het vervaardigen van marktklare isotopen, zei Ager.

Gelukkig stelde een internationaal project uit het begin van de jaren 2000 Ager en de vooraanstaande expert op het gebied van halfgeleidermaterialen Eugene Haller in staat om siliciumtetrafluoridegas – het uitgangsmateriaal voor isotopisch gezuiverd silicium – te kopen van een voormalige isotopenfabriek uit het Sovjettijdperk.

Dit leidde tot een reeks baanbrekende experimenten, waaronder een studie uit 2006, gepubliceerd in Natuurwaarbij Ager en Haller silicium-28 in eenkristallen vormden, die ze gebruikten om te demonstreren dat kwantumgeheugen informatie opsloeg als kwantumbits of qubits, gegevenseenheden die tegelijkertijd als een en een nul in de spin van een elektron zijn opgeslagen.

Vervolgens werd aangetoond dat halfgeleidende dunne films en eenkristallen gemaakt met Ager’s en Haller’s siliciumisotoopmateriaal een 10% hogere thermische geleidbaarheid hebben dan natuurlijk silicium – een verbetering, maar vanuit het oogpunt van de computerindustrie waarschijnlijk niet genoeg om de uitgaven van duizend keer meer geld om een ​​computer te bouwen van isotopisch zuiver silicium, zei Ager.

Maar Ager wist dat de siliciumisotoopmaterialen van wetenschappelijk belang waren buiten kwantumcomputers. Dus bewaarde hij wat overbleef op een veilige plek in Berkeley Lab, voor het geval andere wetenschappers het nodig zouden hebben, omdat maar weinig mensen de middelen hebben om isotopisch zuiver silicium te maken of zelfs te kopen, redeneerde hij.

Een pad naar koelere technologie met silicium-28

Ongeveer drie jaar geleden probeerden Wu en zijn afgestudeerde student Penghong Ci nieuwe manieren te bedenken om de warmteoverdracht in siliciumchips te verbeteren.

Een strategie om efficiëntere transistors te maken, is het gebruik van een type nanodraad dat een Gate-All-Around Field Effect Transistor wordt genoemd. In deze apparaten worden silicium nanodraden gestapeld om elektriciteit te geleiden, en tegelijkertijd wordt warmte gegenereerd, legde Wu uit. “En als de gegenereerde warmte niet snel wordt afgevoerd, stopt het apparaat met werken, vergelijkbaar met een brandalarm dat in een hoog gebouw loeit zonder een evacuatiekaart”, zei hij.

Maar het warmtetransport is nog erger in silicium nanodraden, omdat hun ruwe oppervlakken – littekens van chemische verwerking – de fononen nog meer verstrooien of “verwarren”, legde hij uit.

“En op een dag vroegen we ons af: ‘Wat zou er gebeuren als we een nanodraad zouden maken van isotopisch zuiver silicium-28?'”, zei Wu.

Siliciumisotopen zijn niet iets dat je gemakkelijk op de open markt kunt kopen, en het gerucht ging dat Ager nog wat siliciumisotoopkristallen in opslag had in Berkeley Lab – niet veel, maar toch genoeg om te delen “als iemand een goed idee heeft over hoe om het te gebruiken,” zei Ager. “En de nieuwe studie van Junqiao was zo’n geval.”

Een verrassende grote onthulling met nanotests

“We hebben echt geluk dat Joel het isotopisch verrijkte siliciummateriaal klaar had voor gebruik voor het onderzoek,” zei Wu.

Met behulp van Ager’s siliciumisotoopmaterialen testte het Wu-team de thermische geleidbaarheid in bulk-silicium-28-kristallen van 1 millimeter versus natuurlijk silicium – en nogmaals, hun experiment bevestigde wat Ager en zijn medewerkers jaren geleden ontdekten – dat bulk-silicium-28 warmte geleidt slechts 10% beter dan natuurlijk silicium.

Nu voor de nano-test. Met behulp van een techniek genaamd stroomloos etsen, maakte Ci natuurlijke silicium en silicium-28 nanodraden met een diameter van slechts 90 nanometer (miljardste van een meter) – ongeveer duizend keer dunner dan een enkele streng mensenhaar.

Om de thermische geleidbaarheid te meten, hing Ci elke nanodraad op tussen twee microverwarmingspads uitgerust met platina-elektroden en thermometers, en legde vervolgens een elektrische stroom op de elektrode om warmte op één pad te genereren die via de nanodraad naar het andere pad stroomt.

“We verwachtten slechts een toenemend voordeel te zien – ongeveer 20% – van het gebruik van isotopisch zuiver materiaal voor warmtegeleiding van nanodraad,” zei Wu.

Maar Ci’s metingen verbaasden hen allemaal. De Si-28 nanodraden geleiden warmte niet 10% of zelfs 20%, maar 150% beter dan natuurlijke silicium nanodraden met dezelfde diameter en oppervlakteruwheid.

Dit tartte alles wat ze hadden verwacht te zien, zei Wu. Het ruwe oppervlak van een nanodraad vertraagt ​​meestal fononen. Dus wat was er aan de hand?

TEM-beelden (transmissie-elektronenmicroscopie) met hoge resolutie van het materiaal vastgelegd door Matthew R. Jones en Muhua Sun van de Rice University onthulden de eerste aanwijzing: een glasachtige laag siliciumdioxide op het silicium-28 nanodraadoppervlak.

Computersimulatie-experimenten aan de Universiteit van Massachusetts Amherst onder leiding van Zlatan Aksamija, een vooraanstaand expert op het gebied van de thermische geleidbaarheid van nanodraden, onthulden dat de afwezigheid van isotoop-“defecten” – silicium-29 en silicium-30 – verhinderde dat fononen naar de oppervlakte ontsnapten, waar de siliciumdioxidelaag de fononen drastisch zou vertragen. Dit hield op zijn beurt fononen op het goede spoor in de richting van de warmtestroom – en daarom minder “verward” – in de “kern” van de silicium-28 nanodraad. (Aksamija is momenteel universitair hoofddocent materiaalkunde en techniek aan de Universiteit van Utah.)

“Dit was echt onverwacht. Om te ontdekken dat twee afzonderlijke fonon-blokkerende mechanismen – het oppervlak versus de isotopen, waarvan eerder werd aangenomen dat ze onafhankelijk van elkaar waren – nu synergetisch werken in ons voordeel in warmtegeleiding, is zeer verrassend maar ook zeer bevredigend, ‘ zei Wu.

“Junqiao en het team hebben een nieuw fysiek fenomeen ontdekt”, zei Ager. “Dit is een echte triomf voor door nieuwsgierigheid gedreven wetenschap. Het is best spannend.”

Wu zei dat het team vervolgens van plan is om hun ontdekking naar de volgende stap te brengen: door te onderzoeken hoe “de warmtegeleiding in deze materialen kan worden gecontroleerd in plaats van alleen gemeten”.