Una migliore gestione termica per i piccoli dispositivi
I progressi inerenti ai circuiti integrati hanno dimostrato di essere fondamentali per una continua miniaturizzazione dei dispositivi elettronici. Ciò ha prodotto un impatto su diversi campi di applicazione in cui i dispositivi elettronici di dimensioni nanometriche e con potenza elevata svolgono un ruolo importante, come per esempio il settore termoelettrico, della nano e optoelettronica, e delle celle a combustibile e solari. L’aumento della domanda di dispositivi elettronici compatti e multifunzionali è stato accompagnato da una crescita del calore generato da tali dispositivi. Nell’ambito del progetto HEATPRONANO (Heat propagation and thermal conductivity in nanomaterials for nanoscale energy management), finanziato dall’UE, gli scienziati hanno studiato il modo in cui la struttura superficiale e le proprietà dei fononi (principali vettori di calore) controllano la conducibilità termica delle membrane ultrasottili. L’attenzione è stata posta su membrane di silicio, germanio e ossidi metallici con diversi spessori, le quali variano da pochi nanometri a centinaia di nanometri. Gli scienziati hanno dimostrato che la conducibilità termica di membrane in silicio da 4 nm può essere 40 volte inferiore a quella dei materiali cristallini alla rinfusa, e inoltre dipende ampiamente da caratteristiche quali composizione chimica e struttura superficiale. Mediante la combinazione di modellazione atomistica allo stato dell’arte, nuove tecniche di produzione e metodi avanzati di misurazione, gli scienziati hanno svelato il ruolo dell’ossidazione superficiale nel determinare la dispersione dei fononi. È stato scoperto che gli strati grezzi dell’ossido nativo limitano il libero cammino medio dei fononi termici, al di sotto di 100 nm di spessore. Gli esperimenti hanno inoltre dimostrato che, eliminando l’ossido nativo, la conducibilità termica delle nanostrutture di silicio migliora di quasi un ordine di grandezza. Questi risultati vantano importanti implicazioni per la progettazione di future applicazioni fononiche, in quanto definiscono a quale scala di superficie la nano-strutturazione colpisce i fononi termici nel modo più efficace. Sulla base dei risultati sperimentali e teorici, il team ha ulteriormente analizzato la coerenza dei fononi in funzione del disordine relativo alla rugosità superficiale, e ha spiegato il motivo per cui la conducibilità termica nelle strutture modellizzate non è influenzata dalla coerenza dei fononi a temperatura ambiente. I risultati sono importanti per le applicazioni di cristallo fononico nelle comunicazioni inerenti a radiofrequenza e optomeccanica, entrambi settori che dipendono dalla capacità di modificare il rapporto di dispersione dei fononi. Dei livelli controllati di disturbo potrebbero portare a una nuova classe di fononica disordinata in analogia al campo già attivo della fotonica disordinata. Poiché i dispositivi elettronici diventano sempre più piccoli, i progettisti devono affrontare nuove sfide nel soddisfare i requisiti relativi a prestazioni, dimensioni, peso e temperatura di esercizio. Di conseguenza, una migliore gestione termica gioca un ruolo importante nella progettazione di tali dispositivi, rendendoli affidabili.
Parole chiave
Gestione termica, miniaturizzazione, conducibilità termica, dispositivi elettronici, HEATPRONANO
