Нанопровода из чистого изотопа кремния могут сделать компьютерные чипы намного холоднее.

Фото: Junqiao Wu/Berkeley Lab

Электроника
Инструменты
Шрифты

Там, где есть электричество, обычно есть и тепло — и это серьезное препятствие для уменьшения размеров электронных устройств. Ученые обнаружили, что нанопровода, сделанные из определенного изотопа кремния, могут проводить тепло на 150 процентов лучше, чем обычный кремний, что потенциально может привести к значительно более холодным компьютерным чипам.

В нагруженной электронной системе электрические токи выделяют много тепла, которое может повредить компоненты, если допустить его накопление. В связи с этим, технологии охлаждения также развиваются быстрыми темпами, но по мере того, как электроника становится все меньше и меньше, становится все труднее эффективно рассеивать тепло.

В новом исследовании, исследователи обнаружили новое явление, которое однажды можно будет использовать для создания компьютерных чипов с гораздо лучшими охлаждающими свойствами. Ключом является определенный изотоп кремния, известный как кремний-28 (28Si). Изотопы — это атомы определенного элемента, содержащие разное количество нейтронов.

Большая часть — около 92 процентов — кремния уже существует в виде 28Si, пять процентов — в виде кремния-29, а оставшиеся три процента — в виде кремния-30. В компьютерном чипе эти изотопы имеют одинаковые общие электронные функции, но предыдущие исследования показали, что «примеси» 29Si и 30Si могут прерывать поток тепла.

В прошлом, ученые обнаружили, что массовое изготовление компонентов из чистого кремния-28 может улучшить теплопроводность примерно на 10 процентов — неплохо, но не стоит дополнительных затрат. В новом исследовании, исследователи изучили, насколько хорошо нанопроволоки, сделанные из чистого 28Si, будут проводить тепло.

Команда поместила нанопроволоку из 28Si шириной всего 90 нанометров между двумя контактными площадками микронагревателя и подала электрический ток на одну площадку, чтобы генерируемое тепло перетекало через нанопроволоку в другую. Ученые ожидали улучшения примерно на 20 процентов, но, к их большому удивлению, результат оказался на 150 процентов лучше, чем у нанопроводов из природного кремния.

Микроскопическое изображение нанопроволоки из кремния-28 с покрытием из диоксида кремния, сформированным снаружи. Фото: Matthew R. Jones and Muhua Sun/Rice University

При ближайшем рассмотрении выяснилось, что на внешней стороне нанопроволоки образовался слой диоксида кремния, эффективно сглаживающий обычно шероховатую поверхность, рассеивающую тепло. С внутренней стороны отсутствие дефектов других изотопов позволяло теплу проходить через сердцевину нанопроволоки.

Исследователи говорят, что их работа может проложить путь к новым компьютерным чипам, которые могут более эффективно отводить тепло даже в крошечных масштабах. Однако есть одна серьезная проблема — изолировать кремний-28 от других изотопов по-прежнему дорого и сложно. Но и в этой области могут быть достигнуты успехи в будущем, особенно если для этого появятся новые причины.

Исследование было опубликовано в журнале Physical Review Letters.

Источник: Berkeley Lab.