Previsione della gestione del calore in nuovi materiali per l’elettronica di potenza
Buona parte della perdita di efficienza che si verifica attualmente nei dispositivi di potenza è causata da una scarsa gestione termica su microscala e nanoscala, che riduce le prestazioni e la durata dei componenti. Sono ora in fase di sviluppo nuove tecnologie basate su nichel stagno zirconio (ZrNiSn), nitruro di gallio (GaN) e carburo di silicio (SiC) per incrementare l’efficienza energetica. La gestione termica in queste nuove tecnologie è strettamente connessa alla progettazione dei substrati su cui sono fabbricati i dispositivi. La conduzione del calore nei sistemi nanostrutturati non può tuttavia essere descritta dalla fisica classica dei sistemi macroscopici. Il progetto di Orizzonte 2020 ALMA, finanziato dall’UE, ha affrontato questa sfida attraverso lo sviluppo di nuovi metodi di progettazione per materiali e strutture usati nella gestione termica, che consentono agli ingegneri di prevedere e comprendere la propagazione dell’energia termica in un modo quantitativo su scale appropriate per questi nuovi dispositivi. Nuovo software prevede il trasporto dei fononi I ricercatori hanno creato un eccellente software libero da licenza sotto forma di almaBTE – il primo software a occuparsi della modellizzazione termica multiscala in modo predittivo. Il programma supporta applicazioni fondamentali e industriali, ha attirato centinaia di utenti e può essere persino interfacciato con la tecnologia di progettazione assistita da elaboratore. Potrà gestire in modo predittivo il trasporto dei fononi in cristalli sfusi e leghe, pellicole sottili, superreticoli e strutture multiscala con caratteristiche dimensionali su scala da nanometrica a micrometrica. In termini più tecnici, almaBTE è un pacchetto software che risolve l’equazione di Boltzmann per il trasporto dipendente da spazio e tempo per i fononi, usando soltanto delle quantità calcolate dall’inizio come dati di input. Nei semiconduttori e negli isolanti, il trasporto del calore è principalmente mediato dai fononi - un quanto di energia vibrazionale che deriva da atomi oscillanti all’interno di un reticolo cristallino. I fononi sono le particelle quantistiche corrispondenti alle onde vibrazionali del reticolo, allo stesso modo in cui i fotoni sono le particelle quantistiche corrispondenti alle onde elettromagnetiche. Ora si possono studiare nuovi materiali Il software almaBTE ha consentito ai ricercatori di fare cose che in precedenza non potevano nemmeno sognare, come per esempio la modellizzazione dall’inizio del trasporto termico in transistor a effetto di campo con geometria del canale a pinna. «Uno dei risultati di cui sono più fiero, tuttavia, è la capacità di prevedere la conducibilità termica in sistemi con difetti puntiformi», afferma il coordinatore del progetto dott. Natalio Mingo. «Abbiamo studiato ZrNiSn, SiC cubico e GaN con difetti, e in tutti i casi abbiamo ottenuto un’eccellente concordanza con gli esperimenti e svelato nuove e interessanti leggi fisiche». ALMA ha dimostrato che gli scienziati possono ora prevedere e comprendere quantitativamente la propagazione del calore su scale appropriate per i nuovi dispositivi. Secondo il dott. Mingo: «ALMA ci ha aiutato a studiare nuovi materiali per l’elettronica, come per esempio SiC e GaN, o fosforo nero, e a scoprire aspetti in precedenza sconosciuti, che abbiamo pubblicato in riviste autorevoli». Inoltre, il software gratuito almaBTE sviluppato da ALMA consente ai ricercatori di studiare altri sistemi essenzialmente connessi all’attuale problema energetico. «Gli esempi includono nuovi materiali termoelettrici nanostrutturati, rivestimenti termici per turbine, progettazione termica per memorie a cambiamento di fase e interconnessioni nanoelettroniche, che sono tutti affetti da problemi relativi all’efficienza energetica connessi alla gestione termica su scala micrometrica e nanometrica», conclude il dott. Mingo.
Parole chiave
ALMA, termica, energia, calore, fonone, almaBTE, nitruro di gallio (GaN), carburo di silicio (SiC), energia elettrica
