Forscher demonstrieren eine verbesserte Strahlungswärmeübertragung für Nanogeräte

Forscher aus Japan haben hart daran gearbeitet, einen kühlen Kopf zu bewahren – oder zumindest zu verhindern, dass ihre Nanogeräte überhitzen. Durch das Aufbringen einer winzigen Schicht aus Siliziumdioxid auf Siliziumstrukturen in Mikrogröße konnten sie eine deutliche Steigerung der Wärmeableitungsrate nachweisen. Diese Arbeit könnte zu kleineren und günstigeren elektronischen Geräten führen, die mehr Mikroschaltungen enthalten können.

Da Unterhaltungselektronik immer kompakter wird und dennoch über eine höhere Rechenleistung verfügt, ist die Notwendigkeit, die Abwärme von Mikroschaltkreisen zu verwalten, zu einem wichtigen Problem geworden.

Bei einigen wissenschaftlichen Instrumenten und nanoskaligen Maschinen muss sorgfältig darüber nachgedacht werden, wie die lokale Wärme aus dem Gerät abgeleitet wird, um Schäden zu vermeiden.

Eine gewisse Abkühlung entsteht, wenn Wärme als elektromagnetische Wellen abgestrahlt wird – ähnlich wie die Kraft der Sonne durch das Vakuum des Weltraums die Erde erreicht. Allerdings kann die Energieübertragungsrate zu langsam sein, um die Leistung empfindlicher und dicht gepackter integrierter elektronischer Schaltkreise zu schützen.

Für die Entwicklung der nächsten Generation von Geräten müssen möglicherweise neue Ansätze entwickelt werden, um dieses Problem der Wärmeübertragung anzugehen.

In einem Studie kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht Briefe zur körperlichen UntersuchungForscher vom Institute of Industrial Science der Universität Tokio zeigten, wie die Rate der Strahlungswärmeübertragung zwischen zwei Mikro-Siliziumplatten, die durch einen winzigen Spalt getrennt sind, verdoppelt werden kann.

Der Schlüssel lag in der Verwendung einer Beschichtung aus Siliziumdioxid, die eine Kopplung zwischen den thermischen Schwingungen der Platte an der Oberfläche (Phononen genannt) und den Photonen (die die Strahlung bilden) herstellte.

„Wir konnten sowohl theoretisch als auch experimentell zeigen, wie an der Grenzfläche der Oxidschicht elektromagnetische Wellen angeregt wurden, die die Wärmeübertragungsrate erhöhten“, sagt Hauptautorin der Studie, Saeko Tachikawa.

Die geringe Größe der Schichten im Vergleich zu den Wellenlängen der elektromagnetischen Energie und ihre Befestigung an der Siliziumplatte, die die Energie verlustfrei überträgt, ermöglichten es dem Gerät, die normalen Grenzen der Wärmeübertragung zu überschreiten und somit schneller abzukühlen.

Da die aktuelle Mikroelektronik bereits auf Silizium basiert, könnten die Erkenntnisse dieser Forschung problemlos in zukünftige Generationen von Halbleiterbauelementen integriert werden.

„Unsere Arbeit bietet Einblicke in mögliche Strategien zum Wärmeableitungsmanagement in der Halbleiterindustrie sowie in verschiedenen anderen verwandten Bereichen wie der Nanotechnologie-Fertigung“, sagt der leitende Autor Masahiro Nomura.

Die Forschung trägt auch dazu bei, ein besseres grundlegendes Verständnis darüber zu erlangen, wie Wärmeübertragung auf der Nanoebene funktioniert, da dies immer noch ein Bereich aktiver Forschung ist.