Lepsza gospodarka cieplna w miniaturowych urządzeniach
Ciągła miniaturyzacja urządzeń elektronicznych jest warunkowana postępem w dziedzinie układów scalonych. Ma to wpływ na wiele dziedzin zastosowań, gdzie ważną rolę odgrywają urządzenia elektroniczne wielkości kilku nanometrów o wysokiej gęstości mocy, np. w termoelektryce, nano- i optoelekronice, w ogniwach paliwowych oraz ogniwach słonecznych. Zwiększonemu zapotrzebowaniu na kompaktowe i wielofunkcyjne urządzenia elektroniczne towarzyszy coraz większa ilość ciepła wytwarzanego przez te urządzenia. W ramach finansowanego przez UE projektu HEATPRONANO (Heat propagation and thermal conductivity in nanomaterials for nanoscale energy management) naukowcy zbadali, w jaki sposób struktura powierzchniowa i właściwości fononów, które są głównymi nośnikami ciepła, kontrolują przewodność cieplną ultracienkich membran. Naukowcy skupili się na membranach wykonanych z krzemu, germanu i tlenków metali o różnej grubości wahającej się od kilku do setek nanometrów. Naukowcy wykazali, że przewodność cieplna membran krzemowych o grubości 4 nm może być 40 razy niższa niż przewodność krzemu krystalicznego typu „bulk” i jest w dużym stopniu zależna od składu chemicznego i struktury powierzchni. Połączenie najnowocześniejszego modelowania atomistycznego, nowych technologii produkcji oraz zaawansowanych metod pomiaru, pozwoliło naukowcom określić rolę utleniania powierzchniowego w oznaczaniu rozproszenia fononów. Naukowcy stwierdzili, że chropowate warstwy stabilnego tlenku ograniczają średnią drogę swobodną fononów cieplnych poniżej grubości 100 nm. Eksperymenty wykazały również, że dzięki eliminacji stabilnego tlenku przewodność cieplna nanostruktur krzemowych poprawia się o prawie jeden rząd wielkości. Wyniki te mają istotne znaczenie dla opracowania przyszłych zastosowań fononów, ponieważ określają skalę, w jakiej powierzchniowa nanostruktura ma największy wpływ na cieplne fonony. W oparciu o wyniki badań i wnioski teoretyczne, zespół badał koherencję fononu jako funkcję zdefektowania chropowatości powierzchni, a następnie wyjaśnił, dlaczego koherencja fononu nie ma wpływu na przewodność cieplną w strukturach wzorzystych w temperaturze pokojowej. Wyniki są istotne dla zastosowań fononów w kryształach w komunikacji radiowej i optomechanice, ponieważ obie te dziedziny polegają na możliwości modyfikowania relacji dyspersji fononów. Kontrolowane poziomy zdefektowania mogłyby doprowadzić do powstania nowej klasy zdefektowanych fononów w analogii do już aktywnego obszaru zdefektowanej fotoniki. Wraz z miniaturyzacją urządzeń elektronicznych, konstruktorzy stają w obliczu nowych wyzwań dotyczących wydajności, wielkości, masy oraz wymagań w zakresie temperatur roboczych. W związku z tym, lepsza gospodarka cieplna odgrywa istotną rolę w procesie konstruowania niezawodnych urządzeń.
Słowa kluczowe
Gospodarka cieplna, miniaturyzacja, przewodność cieplna, urządzenia elektroniczne, HEATPRONANO
