Zarządzanie ciepłem w nowych materiałach dla elektroniki mocy Nasze zapotrzebowanie na energię gwałtownie rośnie, co wskazuje na pilną potrzebę stosowania bardziej energooszczędnych i czystszych technologii. Naukowcy z UE opracowali nowatorskie narzędzia do modelowania, które mają umożliwić przewidywanie wydajności nowych, złożonych materiałów zintegrowanych z elektroniką mocy w celu przetwarzania energii elektrycznej. Technologie przemysłowe © bestfoto77, Shutterstock Duża część strat wydajności występujących obecnie w urządzeniach energetycznych jest spowodowana nieodpowiednim zarządzaniem temperaturą w mikro- i nanoskali, co zmniejsza wydajność i trwałość komponentów. W celu zwiększenia efektywności energetycznej opracowywane są nowe technologie oparte na połączeniu niklu, cyny i cyrkonu (ZrNiSn), azotku galu (GaN) i węgliku krzemu (SiC). Zarządzanie ciepłem w tych nowych technologiach jest ściśle związane z konstrukcją podłoży, na których produkowane są urządzenia. Jednak przewodzenie ciepła w systemach nanostrukturalnych nie daje się opisać w ramach klasycznej fizyki systemów makroskopowych. Zespół finansowanego ze środków UE projektu ALMA, realizowanego w ramach programu Horyzont 2020, podjął to wyzwanie, opracowując nowe metody projektowania materiałów i struktur zarządzania ciepłem, które umożliwiają inżynierom przewidywanie i zrozumienie rozprzestrzeniania się energii cieplnej w sposób ilościowy w skalach odpowiednich dla tych nowych urządzeń. Nowe oprogramowanie przewiduje transport fononów Naukowcy stworzyli najwyższej klasy oprogramowanie open-source almaBTE – pierwsze oprogramowanie, które wykonuje wieloskalowe modelowanie termiczne w sposób predykcyjny. Jest ono stosowane w badaniach podstawowych i przemysłowych, zdobyło uznanie setek użytkowników, a dodatkowo może współpracować z programami do projektowania CAD. Program może w sposób predykcyjny modelować transport fononów w kryształach objętościowych i stopach, cienkich warstwach, supersieciach i strukturach wieloskalowych z elementami o wielkości w zakresie od nanometrów do mikrometrów. Jeżeli chodzi o szczegóły techniczne, almaBTE jest pakietem oprogramowania, które rozwiązuje zależne od przestrzeni i czasu równania transportowe Boltzmanna dla fononów, wykorzystując jako dane wejściowe tylko wielkości obliczone ab initio. W półprzewodnikach i izolatorach, transport ciepła odbywa się głównie za pośrednictwem fononów – kwantów energii drgań, która powstaje z oscylujących atomów w sieci krystalicznej. Fony są cząstkami kwantowymi odpowiadającymi drgającym falom sieci krystalicznej w taki sam sposób, jak fotony są cząstkami kwantowymi odpowiadającymi falom elektromagnetycznym. Możemy badać nowe materiały Oprogramowanie almaBTE pozwoliło uczonym na wykonywanie badań, o których wcześniej mogli tylko pomarzyć, takich jak modelowanie transportu termicznego w tranzystorach FinFEN (Fin Field Effect Transistors) ab initio. „Jednym z osiągnięć, z których jestem najbardziej dumny, jest jednak możliwość przewidywania przewodnictwa cieplnego w systemach z defektami punktowymi”, twierdzi koordynator projektu dr Natalio Mingo. „Badaliśmy ZrNiSn, sześcienne SiC oraz GaN z defektami i we wszystkich przypadkach uzyskaliśmy doskonałą zgodność z wynikami doświadczeń, a ponadto ujawniliśmy nową ciekawą fizykę”. Dzięki projektowi ALMA naukowcy mogą teraz ilościowo przewidywać i zrozumieć rozkład ciepła w skalach właściwych dla nowych urządzeń. Jak twierdzi dr Mingo: „Inicjatywa ALMA pozwoliła nam na badanie nowych materiałów do elektroniki, takich jak SiC i GaN, czyli czarny fosfor, oraz odkrycie nieznanych wcześniej aspektów, które opisaliśmy w prestiżowych czasopismach”. Ponadto darmowe oprogramowanie almaBTE opracowane w ramach projektu ALMA umożliwia naukowcom badanie innych systemów zasadniczo związanych z obecnym problemem energetycznym. „Ich przykładem są nowe nanostrukturalne materiały termoelektryczne, powłoki termiczne turbin, projekt termiczny pamięci PRAM oraz połączenia nanoelektroniczne – wszystkich ich dotyczą problemy związane z efektywnością energetyczną odnośnie do zarządzania energią cieplną w mikro- i nanoskali”, podsumowuje dr Mingo. Słowa kluczowe ALMA, termiczne, energetyczne, cieplne, foniczne, almaBTE, azotek galu (GaN), węglik krzemu (SiC), energia elektryczna
