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Mejora de la gestión térmica en dispositivos diminutos

Los avances continuos en la miniaturización de la electrónica a lo largo de las últimas décadas ha permitido obtener dispositivos compactos con funciones densamente integradas. Sin embargo, esta tendencia tiene sus inconvenientes: el control de la conductividad térmica es esencial para evitar averías relacionadas con el calor, aumentar la vida útil y reducir el consumo energético de los dispositivos.
Mejora de la gestión térmica en dispositivos diminutos
Los avances en circuitos integrados han resultado ser cruciales para la miniaturización continua de los dispositivos electrónicos. Esto ha tenido efecto sobre distintos campos de aplicación donde los dispositivos electrónicos de tamaño nanométrico y alta densidad de potencia desempeñan un papel importante, como la termoelectricidad, la nanoelectrónica, la optoelectrónica, las celdas de combustible y las células solares.

La demanda creciente de dispositivos electrónicos compactos y multifuncionales ha ido acompañada de un aumento del calor que generan estos dispositivos. En el marco del proyecto HEATPRONANO (Heat propagation and thermal conductivity in nanomaterials for nanoscale energy management), financiado por la Unión Europea, un grupo de científicos estudió cómo la estructura superficial y las propiedades de los fonones (que son los principales portadores de calor) controlan la conductividad térmica en las membranas ultradelgadas. El trabajo se centró en membranas de silicio, germanio y óxidos metálicos con grosores variables que iban de unos nanómetros a cientos de nanómetros.

Los científicos demostraron que la conductividad de membranas de silicio de tan solo 4 nm puede ser cuarenta veces menor que la del material cristalino masivo y está controlado, en gran medida, por la composición química y la estructura de la superficie.

Combinando la modelización atomística más avanzada, nuevas técnicas de fabricación y formas avanzadas de medición, los científicos desvelaron el papel que desempeña la oxidación de la superficie para determinar la dispersión de los fonones. Determinaron que las capas rugosas del óxido nativo limitan la ruta libre media de los fonones térmicos por debajo de los 100 nm de grosor. Los experimentos también mostraron que, al eliminar el óxido nativo, la conductividad térmica de las nanoestructuras de silicio mejora en casi un orden de magnitud.

Estos resultados tienen implicaciones importantes para diseñar futuras aplicaciones fonónicas, ya que definen a qué escala la nanoestructura superficial afecta a los fonones térmicos más eficientemente.

Sobre la base de los hallazgos experimentales y teóricos, el equipo estudió más a fondo la coherencia de fonones en función del desorden de la rugosidad superficial y, a continuación, explicó por qué la conductividad térmica en estructuras grabadas no se ve afectada por la coherencia entre fonones a temperatura ambiente. Los resultados son importantes para las aplicaciones de los cristales fonónicos en las comunicaciones por radiofrecuencia y la optomecánica. Ambas aplicaciones dependen de la capacidad para modificar la relación de dispersión de los fonones.

Niveles controlados de desorden podrían dar lugar a un nuevo tipo de fonónica desordenada, análoga al campo, ya activo, de la fotónica desordenada.

A medida que los dispositivos electrónicos se hacen más pequeños, los ingenieros de diseño se enfrentan a nuevos retos para cumplir los requisitos de rendimiento, tamaño, peso y temperatura de funcionamiento. De forma acorde, mejorar la gestión térmica desempeña un papel importante en el diseño de estos dispositivos para que sean fiables.

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Palabras clave

Gestión térmica, miniaturización, conductividad térmica, dispositivos electrónicos, HEATPRONANO
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