Besseres Wärmemanagement über winzige Geräte
Fortschritte in integrierten Schaltungen haben sich als entscheidend für die fortschreitende Miniaturisierung von elektronischen Vorrichtungen erwiesen. Dies hatte Auswirkungen auf die verschiedensten Anwendungsgebiete, wo in elektronische Geräte in Nanogröße und mit High-Power-Density eine wichtige Rolle spielen, wie Thermoelektrika, Nano- und Optoelektronik, Brennstoffzellen und Solarzellen. Eine erhöhte Nachfrage nach kompakten und multifunktionalen elektronischen Geräten ging mit einer Zunahme der Wärme, die durch diese Geräte generiert wird, einher. Im Rahmen des EU-geförderten Projekts HEATPRONANO (Heat propagation and thermal conductivity in nanomaterials for nanoscale energy management) untersuchten die Forscher, wie die Oberflächenstruktur und die Eigenschaften von Phononen - welche die Hauptwärmeträger sind - die Wärmeleitfähigkeit von ultradünnen Membranen steuern. Der Fokus lag auf Membranen aus Silizium, Germanium und Metalloxide mit variierenden Dicken von einigen Nanometern bis zu Hunderten von Nanometern. Wissenschaftler zeigten, dass die Wärmeleitfähigkeit von Silizium-Membranen, die 4 nm dünn sind, 40-mal niedriger sein kann, als jene von Kristallen und weitgehend durch die chemische Zusammensetzung und Struktur der Oberfläche gesteuert wird. Durch eine Kombination von modernster atomistischer Modellierung, neuen Fertigungstechniken und fortgeschrittenen Messansätzen, entwirrten die Wissenschaftler die Rolle der Oberflächenoxidation, indem sie die von Phononen bestimmen. Sie fanden heraus, dass grobe Schichten des nativen Oxids, den mittleren freien Pfad der thermischen Phononen auf unter 100nm Dicke begrenzen. Versuche zeigten auch, daß durch die Entfernung des nativen Oxids, die Wärmeleitfähigkeit von Silizium-Nanostrukturen um fast eine Größenordnung verbessert wird. Diese Ergebnisse haben wichtige Auswirkungen auf die Gestaltung der künftigen phononischen Anwendungen, da sie definieren, in welchem Maßstab Oberflächen-Nanostrukturierung thermische Phononen am effektivsten betreffen. Auf der Basis experimenteller und theoretischer Erkenntnisse erforschte das Team die Phononenkohärenz als Funktion der Oberflächen-Rauheits-Störung und erklärt dann, warum in gemusterten Strukturen die Wärmeleitfähigkeit nicht durch Phonon-Kohärenz bei Raumtemperatur beeinflusst wird. Die Ergebnisse sind wichtig für Anwendungen von phononischen Kristallen in Radiofrequenz-Kommunikation und Optomechanik, die beide von der Fähigkeit abhängen, die Phononendispersionsbeziehung zu modifizieren. Kontrollierte Ebenen der Störung könnten zu einer neuen Klasse von der ungeordneten Phononik in Analogie zu dem bereits aktiven Bereich der ungeordneten Photonik führen. Da elektronische Geräte immer kleiner werden, stehen Konstrukteure vor neuen Herausforderungen, um die Anforderungen an Leistung, Größe, Gewicht und Betriebstemperatur zu erfüllen. Dementsprechend spielt ein verbessertes Wärmemanagement eine wichtige Rolle bei der Gestaltung solcher Vorrichtungen, um zuverlässig zu sein.
Schlüsselbegriffe
Wärmemanagement, Miniaturisierung, Wärmeleitfähigkeit, elektronische Geräte, HEATPRONANO
