Att lägga tvådimensionella material som används i nanoelektroniska enheter mellan deras tredimensionella kiselbaser och ett ultratunt lager av aluminiumoxid kan avsevärt minska risken för komponentfel på grund av överhettning, enligt en ny studie publicerad i tidskriften of Avancerade material ledd av forskare vid University of Illinois vid Chicago College of Engineering.

Många av dagens kiselbaserade elektroniska komponenter innehåller 2D-material som grafen. Genom att införliva 2D-material som grafen – som är sammansatt av ett enatomtjockt lager av kolatomer – i dessa komponenter kan de vara flera storleksordningar mindre än om de tillverkades med konventionella, 3D-material. Dessutom, 2D-material möjliggör även andra unika funktioner. Men nanoelektroniska komponenter med 2D-material har en akilleshäl – de är benägna att överhettas. Detta beror på dålig värmeledningsförmåga från 2D-material till kiselbasen.

"Inom området nanoelektronik, den dåliga värmeavledningen av 2D-material har varit en flaskhals för att fullt ut förverkliga deras potential för att möjliggöra tillverkning av allt mindre elektronik samtidigt som funktionaliteten bibehålls, " sa Amin Salehi-Khojin, docent i maskin- och industriteknik vid UIC:s Ingenjörshögskola.

En av anledningarna till att 2-D-material inte effektivt kan överföra värme till kisel är att interaktionerna mellan 2-D-material och kisel i komponenter som transistorer är ganska svaga.

"Bindningar mellan 2D-materialen och kiselsubstratet är inte särskilt starka, så när värme byggs upp i 2D-materialet, det skapar hot spots som orsakar överhettning och enhetsfel, " förklarade Zahra Hemmat, en doktorand vid UIC College of Engineering och medförfattare till uppsatsen.

För att förbättra kopplingen mellan 2-D-materialet och kiselbasen för att förbättra värmeledningsförmågan bort från 2-D-materialet in i kislet, ingenjörer har experimenterat med att lägga till ett extra ultratunt lager av material ovanpå 2D-lagret – i själva verket skapar en "nano-smörgås" med kiselbasen och det ultratunna materialet som "brödet".

"Genom att lägga till ytterligare ett "inkapslande" lager ovanpå 2D-materialet, vi har kunnat fördubbla energiöverföringen mellan 2D-materialet och kiselbasen, " sa Salehi-Khojin.

Salehi-Khojin och hans kollegor skapade en experimentell transistor med kiseloxid som bas, karbid för 2-D-materialet och aluminiumoxid för inkapslingsmaterialet. Vid rumstemperatur, forskarna såg att konduktansen av värme från karbiden till kiselbasen var dubbelt så hög med tillsatsen av aluminiumoxidskiktet jämfört med utan.

"Medan vår transistor är en experimentell modell, det bevisar att genom att lägga till ytterligare, inkapslande lager till denna 2-D nanoelektronik, vi kan avsevärt öka värmeöverföringen till kiselbasen, vilket kommer att gå långt för att bevara funktionaliteten hos dessa komponenter genom att minska sannolikheten för att de brinner ut, ", sa Salehi-Khojin. "Våra nästa steg kommer att inkludera att testa olika inkapslande lager för att se om vi kan förbättra värmeöverföringen ytterligare."