Επιστήμονες έχουν εφεύρει ένα νέο υλικό από πυρίτιο που μεταφέρει τη θερμότητα 150% πιο αποδοτικά από τα συμβατικά υλικά που χρησιμοποιούνται σε προηγμένες τεχνολογίες microchip. Το εξαιρετικά λεπτό νανοσύρμα πυριτίου θα μπορούσε να επιτρέψει μικροηλεκτρονικές εφαρμογές μικρότερης κλίμακας και μεγαλύτερων ταχυτήτων με απόδοση μεταφοράς θερμότητας που ξεπερνά τις υπάρχουσες τεχνολογίες.
Η αξιοποίηση του νανοσύρματος πυριτίου θα βοηθήσει τις ηλεκτρονικές συσκευές που τροφοδοτούνται από microchips να διαχέουν αποτελεσματικά τη θερμότητα, άρα να καταναλώνουν με τη σειρά τους λιγότερη ενέργεια, μια βελτίωση που θα μπορούσε να περιορίσει την κατανάλωση ενέργειας που παράγεται από την καύση ορυκτών καυσίμων, πλούσιων σε άνθρακα που έχουν συμβάλλει στην υπερθέρμανση του πλανήτη.
«Ξεπερνώντας τους φυσικούς περιορισμούς του πυριτίου όσον αφορά στην ικανότητα του να απάγει θερμότητα, η ανακάλυψη μας αντιμετωπίζει ένα εμπόδιο στη μηχανική των microchips», δήλωσε ο Junqiao Wu, ο επιστήμονας που ηγήθηκε της μελέτης που δημοσιεύθηκε στο Physical Review Letters. Ο Wu καθηγητής Επιστήμης και Μηχανικής Υλικών στο UC Berkeley.
Η αργή ροή της θερμότητας μέσω του πυριτίου
Τα σύγχρονα ηλεκτρονικά είναι σχετικά οικονομικά προσιτά επειδή το πυρίτιο, το υλικό επιλογής για τα chip υπολογιστών, είναι φθηνό και άφθονο. Όμως, παρόλο που το πυρίτιο είναι καλός αγωγός του ηλεκτρισμού, δεν είναι καλός αγωγός της θερμότητας όταν μειώνεται σε πολύ μικρά μεγέθη. Και όταν πρόκειται για γρήγορες υπολογιστικές εργασίες, αυτό αποτελεί μεγάλο πρόβλημα για τα μικροσκοπικά microchips.
Μέσα σε κάθε microchip υπάρχουν δεκάδες δισεκατομμύρια transistors πυριτίου που κατευθύνουν τη ροή των ηλεκτρονίων μέσα και έξω από τις μονάδες μνήμης, κωδικοποιώντας bits δεδομένων ως μονάδες και μηδενικά, τη δυαδική γλώσσα των υπολογιστών. Ηλεκτρικά ρεύματα τρέχουν ανάμεσα σε αυτά τα σκληρά εργαζόμενα transistors και αυτή η ροή ηλεκτρονίων αναπόφευκτα παράγει θερμότητα. Η θερμότητα ρέει φυσικά από ένα καυτό αντικείμενο σε ένα ψυχρό αντικείμενο. Αλλά η ροή θερμότητας γίνεται δύσκολη στο πυρίτιο.
Στη φυσική του μορφή, το πυρίτιο αποτελείται από τρία διαφορετικά ισότοπα, μορφές ενός χημικού στοιχείου που περιέχει ίσο αριθμό πρωτονίων, αλλά διαφορετικό αριθμό νετρονίων (άρα διαφορετική μάζα) στους πυρήνες τους. «Περίπου το 92% του πυριτίου αποτελείται από το ισότοπο πυρίτιο-28, το οποίο έχει 14 πρωτόνια και 14 νετρόνια. Περίπου το 5% είναι πυρίτιο-29, που περιέχει 14 πρωτόνια και 15 νετρόνια. και μόλις το 3% είναι πυρίτιο-30, ένα σχετικά βαρύ ισότοπο με 14 πρωτόνια και 16 νετρόνια», εξηγεί ο Joel Ager, Επικ. Καθηγητής στο UC Berkeley.
«Καθώς τα φωνόνια, τα κύματα της ατομικής δόνησης που μεταφέρουν θερμότητα, διαπερνούν την κρυσταλλική δομή του πυριτίου, η κατεύθυνση τους αλλάζει όταν προσκρούουν σε πυρίτιο-29 ή πυρίτιο-30, των οποίων οι διαφορετικές ατομικές μάζες «μπερδεύουν» τα φωνόνια, επιβραδύνοντας τα. Τα φωνόνια, εν τέλει, βρίσκουν το δρόμο τους προς το ψυχρό άκρο για να ψύξουν το υλικό πυριτίου, αλλά αυτή η μετ’ εμποδίων διαδρομή έχει ως αποτέλεσμα την ανάπτυξη θερμότητας, η οποία με τη σειρά της επιβραδύνει τον υπολογιστή σας», επισημαίνει ο Ager.
Ένα μεγάλο βήμα προς την ταχύτερη, πυκνότερη μικροηλεκτρονική
Για πολλές δεκαετίες, οι ερευνητές θεωρούσαν ότι τα microchips που θα αποτελούνταν από καθαρό πυρίτιο-28, θα ξεπερνούσαν το όριο θερμικής αγωγιμότητας του πυριτίου και επομένως θα βελτίωναν τις ταχύτητες επεξεργασίας μικρότερων και πυκνότερων μικροηλεκτρονικών. Αλλά η παραγωγή του πυριτίου σε μορφή με ένα μόνο ισότοπο, απαιτεί υψηλά επίπεδα ενέργειας, τα οποία λίγες εγκαταστάσεις μπορούν να παρέχουν, ενώ ακόμη λιγότερες ειδικεύονται στην παραγωγή ανάλογων ισοτόπων για βιομηχανική χρήση, είπε ο Ager.
Ευτυχώς, ένα διεθνές έργο από τις αρχές της δεκαετίας του 2000, επέτρεψε στον Ager και τον κορυφαίο ειδικό σε υλικά ημιαγωγών, Eugene Haller, να προμηθευτούν αέριο τετραφθοριούχου πυριτίου -το αρχικό υλικό για ισοτοπικά καθαρό πυρίτιο- από ένα εργοστάσιο παραγωγής ισοτόπων της πρώην Σοβιετικής περιόδου. Αυτό οδήγησε σε μια σειρά από πρωτοποριακά πειράματα, συμπεριλαμβανομένης μιας μελέτης του 2006 που δημοσιεύθηκε στο Nature, όπου οι Ager και Haller δημιούργησαν πυρίτιο-28 σε μονοκρυστάλλους, τους οποίους χρησιμοποίησαν για να επιδείξουν την αποθήκευση πληροφοριών κβαντικής μνήμης ως κβαντικά bit ή qubits, μονάδες δεδομένων που αποθηκεύονται ταυτόχρονα ως ένα και μηδέν στο spin ενός ηλεκτρονίου.
Στη συνέχεια, οι ημιαγώγιμες λεπτές μεμβράνες και οι μονοκρυστάλλοι που κατασκευάστηκαν με καθαρό πυρίτιο-28 των Ager και Haller, αποδείχθηκε ότι είχαν 10% υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα από το φυσικό πυρίτιο. «Αυτό ήταν μια βελτίωση, αλλά από την άποψη της βιομηχανίας υπολογιστών, μάλλον δεν αρκεί για να δικαιολογήσει την κατά 1.000 φορές μεγαλύτερη δαπάνη για την κατασκευή ενός υπολογιστή από ισοτοπικά καθαρό πυρίτιο», είπε ο Ager.
Ο Ager γνώριζε ότι το ισοτοπικά καθαρό πυρίτιο ήταν επιστημονικής σημασίας πέρα από τους κβαντικούς υπολογιστές. Έτσι κράτησε ό,τι απέμεινε σε ασφαλές μέρος στο Berkeley Lab, για την περίπτωση που άλλοι επιστήμονες το χρειαστούν, επειδή λίγοι άνθρωποι έχουν τους πόρους να φτιάξουν ή ακόμα και να αγοράσουν ισοτοπικά καθαρό πυρίτιο.
Καλύτερη ψύξη με πυρίτιο-28
Πριν από περίπου τρία χρόνια, ο Wu και ο απόφοιτος φοιτητής του Penghong Ci προσπαθούσαν να βρουν νέους τρόπους για να βελτιώσουν τον ρυθμό μεταφοράς θερμότητας στα chips πυριτίου. Μια στρατηγική για να παραχθούν πιο αποδοτικά transistors, περιελάμβανε τη χρήση ενός τύπου νανοσύρματος που ονομάζεται Gate-All-Around Field Effect Transistor. «Σε αυτές τις συσκευές, νανοσύρματα πυριτίου στοιβάζονται για να άγουν ηλεκτρισμό, ενώ ταυτόχρονα παράγεται θερμότητα. Και εάν η θερμότητα που παράγεται δεν εξαχθεί γρήγορα, η συσκευή θα σταματήσει να λειτουργεί», εξηγεί ο Wu.
Αλλά η μεταφορά θερμότητας είναι ακόμη χειρότερη στα νανοσύρματα πυριτίου, επειδή οι τραχιές τους επιφάνειες -λόγω της χημικής επεξεργασίας- σκεδάζουν ακόμη περισσότερο τα φωνόνια. «Και τότε μια μέρα αναρωτηθήκαμε: Τι θα συνέβαινε αν κατασκευάζαμε ένα νανοσύρμα από ισοτοπικά καθαρό πυρίτιο-28;», είπε ο Wu.
Τα ισότοπα πυριτίου δεν είναι κάτι που μπορεί κανείς να βρει εύκολα στην αγορά, και ο Ager είχε ακόμα μερικούς κρυστάλλους ισοτόπων πυριτίου σε αποθήκευση στο Berkeley Lab. Όχι πολλούς, αλλά αρκετούς για να τους μοιραστεί. «Και η νέα μελέτη του Junqiao ήταν μια τέτοια περίπτωση που άξιζε να τους μοιραστώ», λέει ο Ager.
Μία εκπληκτική ανακάλυψη μέσα από δοκιμές σε νανοκλίμακα
«Είμαστε πραγματικά τυχεροί που ο Joel έτυχε να έχει το ισοτοπικά εμπλουτισμένο υλικό πυριτίου, έτοιμο να χρησιμοποιηθεί για τη μελέτη», είπε ο Wu. Χρησιμοποιώντας το ισοτοπικά καθαρό πυρίτιο του Ager, η ομάδα του Wu δοκίμασε τη θερμική αγωγιμότητα σε μεγάλους κρυστάλλους πυριτίου-28 μεγέθους 1mm έναντι του φυσικού πυριτίου. Και πάλι, το πείραμα τους επιβεβαίωσε αυτό που ο Ager και οι συνεργάτες του ανακάλυψαν πριν από χρόνια, ότι το καθαρό πυρίτιο-28 μεταφέρει τη θερμότητα μόνο 10% καλύτερο από το φυσικό πυρίτιο.
Χρησιμοποιώντας μια τεχνική που ονομάζεται electroless etching, οι ερευνητές κατασκεύασαν νανοσύρματα από κοινό πυρίτιο και από πυριτίο-28 με διάμετρο μόλις 90nm (δισεκατομμυριοστά του μέτρου), περίπου χίλιες φορές λεπτότερο από μία ανθρώπινη τρίχα. Για να μετρήσoυν τη θερμική αγωγιμότητα, οι ερευνητές ανάρτησαν κάθε νανοσύρμα μεταξύ δύο μικροθερμαντήρων εξοπλισμένων με ηλεκτρόδια και θερμόμετρα πλατίνας και στη συνέχεια εφάρμοσαν ηλεκτρικό ρεύμα στο ηλεκτρόδιο για να δημιουργήσουν θερμότητα στο ένα άκρο που έρεε στο άλλο άκρο μέσω του νανοσύρματος. «Περιμέναμε να δούμε μόνο ένα οριακό όφελος -της τάξης του 20%- από τη χρήση ισοτοπικά καθαρού υλικού όσον αφορά στη μεταφορά θερμότητας με νανοσύρματα», είπε ο Wu.
Αλλά οι μετρήσεις του Ci τους εξέπληξαν όλους. Τα νανοσύρματα Si-28 μετέφεραν τη θερμότητα όχι 10% ή 20%, αλλά 150% καλύτερα από τα νανοσύρματα φυσικού πυριτίου με την ίδια διάμετρο και τραχύτητα επιφάνειας. Αυτό αψηφούσε όλα όσα περίμεναν να δουν, είπε ο Wu. Η τραχιά επιφάνεια ενός νανοσύρματος συνήθως επιβραδύνει τα φωνόνια. Τι συνέβαινε λοιπόν; Οι εικόνες υψηλής ανάλυσης μέσω TEM του νανοσύρματος από πυρίτιο-28 που καταγράφηκαν από τους Matthew R. Jones και Muhua Sun στο Πανεπιστήμιο Rice, αποκάλυψαν ότι ένα στρώμα διοξειδίου του πυριτίου που μοιάζει με γυαλί υπήρχε στην επιφάνεια του νανοσύρματος πυριτίου-28.
Πειράματα υπολογιστικής προσομοίωσης στο Πανεπιστήμιο της Μασαχουσέτης στο Amherst με επικεφαλής τον Zlatan Aksamija, κορυφαίο ειδικό στη θερμική αγωγιμότητα των νανοσυρμάτων, αποκάλυψαν ότι η απουσία «ελαττωμάτων» που προέρχονται από τα ισότοπα πυρίτιο-29 και πυρίτιο-30, εμπόδιζε τα φωνόνια να διαφύγουν στην επιφάνεια όπου το στρώμα διοξειδίου του πυριτίου θα επιβράδυνε δραστικά τα φωνόνια. Αυτό με τη σειρά του διατήρησε τα φωνόνια σε τροχιά κατά μήκος της κατεύθυνσης της ροής θερμότητας στο εσωτερικό του πυριτίου-28.
«Ήταν πραγματικά αναπάντεχο να ανακαλύψουμε ότι δύο διακριτοί μηχανισμοί σκέδασης των φωνονίων, η επιφάνεια και η παρουσία άλλων ισοτόπων, που πάντα πιστεύαμε ότι δρούσαν ανεξάρτητα, στη μελέτη αυτή συνεργάζονται προς όφελος της υψηλότερης θερμικής αγωγιμότητας», είπε ο Wu. «Ο Junqiao και η ομάδα του ανακάλυψαν ένα νέο φυσικό φαινόμενο. Αυτός είναι ένας πραγματικός θρίαμβος για την επιστήμη που βασίζεται στην περιέργεια. Είναι αρκετά συναρπαστικό», αναφέρει ο Ager.
Οι επιστήμονες σχεδιάζουν να προχωρήσουν την ανακάλυψη τους ακόμη παραπέρα και να διερευνήσουν τον τρόπο με τον οποίο θα ελέγχουν και όχι απλά θα μετρούν, την απαγωγή της θερμότητας σε αυτά τα υλικά.
Με πληροφορίες από Phys.org
