Kombinera toppmodern realistisk atomistisk modellering och experiment, en ny artikel beskriver hur värmeledningsförmågan hos ett ultratunt kiselmembran i stor utsträckning styrs av ytans struktur och kemiska sammansättning. En detaljerad förståelse av sambanden mellan tillverkning och bearbetning med strukturella och termiska egenskaper hos lågdimensionella nanostrukturer är avgörande för att designa material och anordningar för fononik, termisk hantering i nanoskala, och termoelektriska applikationer.

Materialens förmåga att leda värme är ett begrepp som vi alla är bekanta med från vardagen. Den moderna historien om termisk transport går tillbaka till 1822 när den briljante franske fysikern Jean-Baptiste Joseph Fourier publicerade sin bok "Théorie analytique de la chaleur" ("The Analytic Theory of Heat"), som blev en hörnsten i värmetransporten. Han påpekade att värmeledningsförmågan, dvs. förhållandet mellan värmeflödet och temperaturgradienten, är en inneboende egenskap hos själva materialet.

Tillkomsten av nanoteknik, där den klassiska fysikens regler gradvis misslyckas när dimensionerna krymper, utmanar Fouriers teori om värme på flera sätt. En tidning publicerad i ACS Nano och leds av forskare från Max Planck Institute for Polymer Research (Tyskland), det katalanska institutet för nanovetenskap och nanoteknik (ICN2) på campus vid Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) (Spanien) och VTT Technical Research Centre of Finland (Finland) beskriver hur topologin i nanometerskala och ytans kemiska sammansättning kontrollera värmeledningsförmågan hos ultratunna kiselmembran. Arbetet finansierades av European Project Membrane-based phonon engineering for energy harvesting (MERGING).

Resultaten visar att värmeledningsförmågan hos kiselmembran som är tunnare än 10 nm är 25 gånger lägre än den för kristallint kisel i bulk och styrs till stor del av strukturen och den kemiska sammansättningen av deras yta. Genom att kombinera toppmodern realistisk atomistisk modellering, sofistikerade tillverkningstekniker, nya mätmetoder och den senaste parameterfri modellering, forskare avslöjade rollen av ytoxidation för att bestämma spridningen av kvantiserade gittervibrationer (fononer), som är de huvudsakliga värmebärarna i kisel.

Både experiment och modellering visade att avlägsnande av den naturliga oxiden förbättrar den termiska ledningsförmågan hos kiselnanostrukturer med nästan en faktor två, medan successiv partiell återoxidation sänker den igen. Storskaliga simuleringar av molekylär dynamik med upp till 1, 000, 000 atomer gjorde det möjligt för forskarna att kvantifiera de relativa bidragen till minskningen av den termiska konduktiviteten som härrör från närvaron av naturligt SiO2 och från dimensionsreduktionen som utvärderats för en modell med perfekt spegelvända ytor.

Kisel är det valda materialet för nästan alla elektronikrelaterade applikationer, där karakteristiska dimensioner under 10 nm har uppnåtts, t.ex. i FinFET-transistorer, och värmeavledningskontroll blir avgörande för deras optimala prestanda. Även om sänkningen av värmeledningsförmågan som induceras av oxidskikt är skadlig för värmespridningen i nanoelektroniska enheter, det kommer att bli användbart för termoelektrisk energiskörd, där effektiviteten bygger på att undvika värmeväxling över den aktiva delen av enheten.

Ytornas kemiska natur, därför, framstår som en ny nyckelparameter för att förbättra prestandan hos Si-baserade elektroniska och termoelektriska nanoenheter, såväl som för nanomekaniska resonatorer (NEMS). Detta arbete öppnar nya möjligheter för nya termiska experiment och konstruktioner inriktade på att manipulera värme i sådana skalor.