Neue Silizium-Nanodrähte können die Hitze wirklich aushalten

Wissenschaftler haben ein neues Material demonstriert, das Wärme um 150 % effizienter leitet als herkömmliche Materialien, die in fortschrittlichen Chiptechnologien verwendet werden.

Das Gerät – ein ultradünner Silizium-Nanodraht – könnte kleinere, schnellere Mikroelektronik mit einer Wärmeübertragungseffizienz ermöglichen, die aktuelle Technologien übertrifft. Elektronische Geräte, die von Mikrochips angetrieben werden, die Wärme effizient ableiten, würden wiederum weniger Energie verbrauchen – eine Verbesserung, die dazu beitragen könnte, den Energieverbrauch zu verringern, der durch die Verbrennung kohlenstoffreicher fossiler Brennstoffe entsteht, die zur globalen Erwärmung beigetragen haben.

„Durch die Überwindung der natürlichen Grenzen von Silizium in seiner Fähigkeit, Wärme zu leiten, überwindet unsere Entdeckung eine Hürde in der Mikrochip-Entwicklung“, sagte Junqiao Wu, der Wissenschaftler, der die leitete Briefe zur körperlichen Überprüfung Studie über das neue Gerät. Wu ist Fakultätswissenschaftler in der Abteilung für Materialwissenschaften und Professor für Materialwissenschaften und -technik an der UC Berkeley.

Wärme fließt langsam durch Silizium

Unsere Elektronik ist relativ erschwinglich, weil Silizium – das Material der Wahl für Computerchips – billig und reichlich vorhanden ist. Aber obwohl Silizium ein guter elektrischer Leiter ist, ist es kein guter Wärmeleiter, wenn es auf sehr kleine Größen reduziert wird – und wenn es um schnelles Rechnen geht, stellt dies ein großes Problem für winzige Mikrochips dar.

In jedem Mikrochip befinden sich zig Milliarden Siliziumtransistoren, die den Elektronenfluss in und aus Speicherzellen lenken und Datenbits als Einsen und Nullen codieren, die binäre Sprache von Computern. Zwischen diesen hart arbeitenden Transistoren fließen elektrische Ströme, die zwangsläufig Wärme erzeugen.

Wärme fließt auf natürliche Weise von einem heißen Objekt zu einem kühlen Objekt. Aber der Wärmefluss wird in Silizium schwierig.

In seiner natürlichen Form besteht Silizium aus drei verschiedenen Isotopen – Formen eines chemischen Elements, die eine gleiche Anzahl von Protonen, aber eine unterschiedliche Anzahl von Neutronen (daher unterschiedliche Masse) in ihren Kernen enthalten.

Etwa 92 % des Siliziums besteht aus dem Isotop Silizium-28 mit 14 Protonen und 14 Neutronen; etwa 5 % sind Silizium-29 mit einem Gewicht von 14 Protonen und 15 Neutronen; und nur 3 % sind Silizium-30, ein relatives Schwergewicht mit 14 Protonen und 16 Neutronen, erklärte Co-Autor Joel Ager, der Titel eines leitenden Wissenschaftlers in der Materials Sciences Division des Berkeley Lab und außerordentlicher Professor für Materialwissenschaften und -technik an der UC Berkeley besitzt.

Während sich Phononen, die Wärme transportierenden Atomschwingungswellen, durch die kristalline Struktur von Silizium winden, ändert sich ihre Richtung, wenn sie auf Silizium-29 oder Silizium-30 treffen, deren unterschiedliche Atommassen die Phononen „verwirren“ und sie verlangsamen.

„Die Phononen kommen schließlich auf die Idee und finden ihren Weg zum kalten Ende, um das Siliziummaterial zu kühlen“, aber auf diesem indirekten Weg kann sich Abwärme aufbauen, was wiederum auch Ihren Computer verlangsamt, sagte Ager.

Ein großer Schritt in Richtung schnellerer, dichterer Mikroelektronik

Viele Jahrzehnte lang theoretisierten Forscher, dass Chips aus reinem Silizium-28 die Wärmeleitfähigkeitsgrenze von Silizium überwinden und daher die Verarbeitungsgeschwindigkeit kleinerer, dichterer Mikroelektronik verbessern würden.

Aber die Reinigung von Silizium bis zu einem einzigen Isotop erfordert intensive Energiemengen, die nur wenige Anlagen liefern können – und noch weniger sind auf die Herstellung marktreifer Isotope spezialisiert, sagte Ager.

Glücklicherweise ermöglichte ein internationales Projekt aus den frühen 2000er Jahren Ager und dem führenden Halbleitermaterialexperten Eugene Haller, Siliziumtetrafluoridgas – das Ausgangsmaterial für isotopengereinigtes Silizium – aus einer ehemaligen Isotopenfabrik aus der Sowjetzeit zu beschaffen.

Dies führte zu einer Reihe bahnbrechender Experimente, darunter eine Studie aus dem Jahr 2006, die in veröffentlicht wurde Naturwobei Ager und Haller Silizium-28 in Einkristalle formten, die sie verwendeten, um Quantenspeicher zu demonstrieren, die Informationen als Quantenbits oder Qubits speichern, Dateneinheiten, die gleichzeitig als Eins und Null im Spin eines Elektrons gespeichert werden.

Anschließend wurde gezeigt, dass halbleitende Dünnfilme und Einkristalle, die mit Agers und Hallers Siliziumisotopenmaterial hergestellt wurden, eine 10% höhere Wärmeleitfähigkeit als natürliches Silizium haben – eine Verbesserung, aber aus Sicht der Computerindustrie wahrscheinlich nicht genug, um die Ausgaben von tausend zu rechtfertigen Mal mehr Geld, um einen Computer aus isotopenreinem Silizium zu bauen, sagte Ager.

Aber Ager wusste, dass die Siliziumisotopenmaterialien von wissenschaftlicher Bedeutung jenseits des Quantencomputings waren. Also bewahrte er das, was übrig war, an einem sicheren Ort im Berkeley Lab auf, nur für den Fall, dass andere Wissenschaftler es brauchen könnten, weil nur wenige Menschen die Ressourcen haben, um isotopenreines Silizium herzustellen oder sogar zu kaufen, argumentierte er.

Ein Weg zu kühlerer Technologie mit Silizium-28

Vor etwa drei Jahren versuchten Wu und sein Doktorand Penghong Ci, neue Wege zu finden, um die Wärmeübertragungsrate in Siliziumchips zu verbessern.

Eine Strategie zur Herstellung effizienterer Transistoren beinhaltet die Verwendung einer Art Nanodraht, der als Gate-All-Around-Feldeffekttransistor bezeichnet wird. In diesen Geräten werden Silizium-Nanodrähte gestapelt, um Strom zu leiten, und gleichzeitig wird Wärme erzeugt, erklärte Wu. „Und wenn die erzeugte Wärme nicht schnell abgeführt wird, würde das Gerät aufhören zu arbeiten, ähnlich wie ein Feueralarm in einem hohen Gebäude ohne Evakuierungskarte“, sagte er.

Aber der Wärmetransport ist in Silizium-Nanodrähten noch schlechter, weil ihre rauen Oberflächen – Narben von der chemischen Verarbeitung – die Phononen noch mehr streuen oder „verwirren“, erklärte er.

„Und dann fragten wir uns eines Tages: ‚Was würde passieren, wenn wir einen Nanodraht aus isotopenreinem Silizium-28 herstellen würden?’“, sagte Wu.

Siliziumisotope kann man nicht einfach auf dem freien Markt kaufen, und es hieß, dass Ager noch einige Siliziumisotopenkristalle im Berkeley Lab gelagert hatte – nicht viel, aber immer noch genug, um sie zu teilen, „wenn jemand eine gute Idee hat, wie um es zu benutzen“, sagte Ager. „Und die neue Studie von Junqiao war so ein Fall.“

Eine überraschend große Enthüllung mit Nanotests

„Wir sind wirklich glücklich, dass Joel zufällig das isotopenangereicherte Siliziummaterial für die Studie bereit hatte“, sagte Wu.

Unter Verwendung von Agers Siliziumisotopenmaterialien testete das Wu-Team die Wärmeleitfähigkeit von 1-Millimeter-großen Silizium-28-Kristallen im Vergleich zu natürlichem Silizium – und wieder bestätigte ihr Experiment, was Ager und seine Mitarbeiter vor Jahren entdeckten – dass massives Silizium-28 Wärme leitet nur 10 % besser als natürliches Silizium.

Nun zum Nanotest. Mit einer Technik namens stromloses Ätzen stellte Ci natürliches Silizium und Silizium-28-Nanodrähte mit einem Durchmesser von nur 90 Nanometern (Milliardstel Meter) her – etwa tausendmal dünner als eine einzelne menschliche Haarsträhne.

Um die Wärmeleitfähigkeit zu messen, hängte Ci jeden Nanodraht zwischen zwei mit Platinelektroden und Thermometern ausgestattete Mikroheizpads auf und legte dann einen elektrischen Strom an die Elektrode, um Wärme auf einem Pad zu erzeugen, die über den Nanodraht zum anderen Pad fließt.

„Wir haben erwartet, nur einen zusätzlichen Vorteil – etwa 20 % – der Verwendung von isotopenreinem Material für die Wärmeleitung von Nanodrähten zu sehen“, sagte Wu.

Aber Cis Messungen erstaunten sie alle. Die Si-28-Nanodrähte leiteten Wärme nicht 10 % oder sogar 20 %, aber 150 % besser als natürliche Silizium-Nanodrähte mit demselben Durchmesser und derselben Oberflächenrauheit.

Dies trotzte allem, was sie erwartet hatten, sagte Wu. Die raue Oberfläche eines Nanodrahts verlangsamt typischerweise Phononen. Was war also los?

Hochauflösende TEM-Bilder (Transmissionselektronenmikroskopie) des Materials, die von Matthew R. Jones und Muhua Sun an der Rice University aufgenommen wurden, enthüllten den ersten Hinweis: eine glasartige Schicht aus Siliziumdioxid auf der Oberfläche des Silizium-28-Nanodrahts.

Computersimulationsexperimente an der University of Massachusetts Amherst unter der Leitung von Zlatan Aksamija, einem führenden Experten für die Wärmeleitfähigkeit von Nanodrähten, zeigten, dass das Fehlen von Isotopen-„Defekten“ – Silizium-29 und Silizium-30 – verhinderte, dass Phononen an die Oberfläche entweichen, wo die Siliziumdioxidschicht die Phononen drastisch verlangsamen würde. Dies wiederum hielt Phononen entlang der Richtung des Wärmeflusses – und daher weniger „verwirrt“ – innerhalb des „Kerns“ des Silizium-28-Nanodrahts auf Kurs. (Aksamija ist derzeit außerordentliche Professorin für Materialwissenschaft und -technik an der University of Utah.)

„Das war wirklich unerwartet. Zu entdecken, dass zwei getrennte Mechanismen zur Phononenblockierung – die Oberfläche und die Isotope, von denen man früher annahm, dass sie unabhängig voneinander sind – jetzt synergistisch zu unserem Vorteil bei der Wärmeleitung arbeiten, ist sehr überraschend, aber auch sehr erfreulich.“ “, sagte Wu.

„Junqiao und das Team haben ein neues physikalisches Phänomen entdeckt“, sagte Ager. „Dies ist ein echter Triumph für die von Neugier getriebene Wissenschaft. Es ist ziemlich aufregend.“

Wu sagte, dass das Team plant, ihre Entdeckung als Nächstes zum nächsten Schritt zu bringen: durch die Untersuchung, wie man „die Wärmeleitung in diesen Materialien kontrollieren, anstatt sie nur messen kann“.