Att hitta sätt att hantera värmeflödet i kisel kan öka prestandan hos halvledare, men, än så länge, att upptäcka rätt design har förblivit svårfångad. Nu, ett team av forskare från Penn State rapporterar att en tillverkningsteknik kan erbjuda en väg mot att behärska det ofta kaotiska flödet av värmebärare på nanoskala i kisel och andra halvledare.

I en studie, forskarna använde superdatorer för att testa en design som infogar nanometerstora hål i en kiselhalvledare och fann att den resulterande modellen, som består av jämnt fördelade sfäriska inneslutningar kan dramatiskt påverka förmågan att kanalisera värme via atomvibrationer som kallas fononer. Inneslutningarna är hål med en radie på mellan 7 till 30 nanometer. Som en jämförelse, ett människohår är cirka 80, 000 nanometer bred.

Forskarna tillade att detta är ett viktigt steg mot att förstå hur man kontrollerar värmeflödet genom kiselhalvledare och, en dag, förbättra prestanda för dessa marker.

Att kontrollera värmeflödet är svårt på grund av hur fononer rikocher genom material i vissa skalor, sa Ismaila Dabo, docent i materialvetenskap och teknik.

"När du tittar på värme från nivån av att vara gjord av fononer, partiklarna som leder värme, du inser snabbt att dessa fononer bara kan gå så långt utan att avledas, sa Dabo, som också är associerad med Institute of Computational and Data Sciences (ICDS), som driver superdatorn som teamets forskning utfördes på. "Så, det finns bara ett begränsat avstånd som en fonon kan färdas i materialet och det avståndet är i storleksordningen 50 nanometer till 1, 000 nanometer för de flesta material. "

När geometrin hos strukturerna gjorda med dessa material är i storleksordningen av dessa längdskalor, fonons beteende blir mer komplicerat, enligt Brian Foley, biträdande professor i maskinteknik.

"Under de senaste decennierna har människor försökt konstruera material med lägre värmeledningsförmåga för saker som termoelektrik och värmebarriärbeläggningar, "sa Foley." Detta arbete visar att om du fortsätter detta nanostrukturerade tillvägagångssätt till sub-10 nm-regimen i ett ordnat geometriskt system, du passerar genom en minimal värmeledningsförmåga och återställer sedan snabbt bulkegenskaperna när inneslutningarna fortsätter att krympa och till slut försvinner. Nu, att kunna komma åt andra sidan av detta minimum, Jag tror att det blir mer intressant eftersom vi kan designa material med värmeledningsförmåga som är mer känsliga för storleksparametrar."

Även om detta arbete utgör ett viktigt steg, det är fortfarande bara ett första steg, enligt forskarna, som rapporterar sina resultat i ett färskt nummer av ACS Nano . Dock, det kan öppna andra möjligheter, utöver datorchipsförbättringar, i framtiden. Designen kunde, till exempel, hjälpa till att omvandla värme som annars skulle kunna gå till spillo till användbar energi.

"Detta sätter upp ett mål för nästa decennium eller så, Jag tror, att använda avancerade system som dessa för att konstruera termiska ekvivalenter till elektriska apparater, som dioder och transistorer, "sa Foley." Att ta bort värme och hjälpa till med energieffektivitet skulle vara de mest direkta fördelarna med dessa termiska enheter - fononberäkning och termisk beräkning är andra sätt de kan användas. "

Forskarna sa att arbetet också hjälper andra forskare att utforska den ofta konstiga världen av att arbeta med fononer. Medan de flesta inser att elektroner och fotoner kan uppvisa både vågliknande och partikelliknande beteenden, de kanske inte vet att fononer har liknande kvalitet, sa Weinan Chen, doktorandforskare och medförfattare till uppsatsen.

"Vi vet att en elektron kan vara antingen en partikel eller en våg, som är grunden för modern fysik, ", sa Chen. "Samma koncept gäller för fononer. Det kan ses som en partikel och det kan ses som en våg. I detta fall, det transporterar inte längre el, det är en värmeström. Så, detta är väldigt känsligt för temperatur och hur temperaturen fördelas genom materialet."

Till skillnad från elektroner och fotoner, Fononer måste existera i ett tillstånd av kondenserad materia - vilket ger forskare som studerar fononer mycket huvudvärk.

"Vi tror ibland att elektronikvärlden har gjort den-med väldefinierade ledande vägar och svagt interagerande" gaser "av elektroner och hål som sällan ser varandra, " sade Foley. "Men, värmeflöde kan vara svårare att studera eftersom det är svårt att begränsa och bara går överallt; för att inte tala om finligheterna hos fononer när de studsar in i varandra, de studsar in i andra saker. Det är ett sammankopplat nätverk av överhörning och kollisioner; det kan vara en stor röra."

Disha Talreja, doktorand och medförfattare till verket, delar denna känsla, att säga att mätning av värmeflöde i dessa komplicerade strukturer var mycket givande. Sa Talreja, "Att syntetisera nanometerstora porer på ett ordnat sätt i material som kisel och att experimentellt kunna fånga teoretiskt förutspådd diffusion av fononer genom dem var verkligen en spännande resa."

Dabo och Foley tillade att förmågan att exakt designa dessa nanostrukturer – eller avstämningsbarhet – inte skulle ha varit möjlig utan nanotillverkningstekniker utvecklade av den sene John Badding.

"Fabrikationsprocessen, till mig, är häpnadsväckande, ", sa Foley. "Det John Badding utvecklade är störande eftersom det är en helt ny väg för att designa termiska strukturer. Jag hoppas att vi kan hjälpa till att göra detta till en del av hans arv till både den kemiska och bredare vetenskapen."