p Combinando modelagem atomística realista de última geração e experimentos, um novo artigo descreve como a condutividade térmica de uma membrana de silício ultrafina é controlada em grande parte pela estrutura e composição química da superfície. Uma compreensão detalhada das conexões de fabricação e processamento com propriedades estruturais e térmicas de nanoestruturas de baixa dimensão é essencial para projetar materiais e dispositivos para fonônica, gerenciamento térmico em nanoescala, e aplicações termoelétricas. p A capacidade dos materiais de conduzirem calor é um conceito com o qual todos nós estamos familiarizados na vida cotidiana. A história moderna do transporte térmico remonta a 1822, quando o brilhante físico francês Jean-Baptiste Joseph Fourier publicou seu livro "Théorie analytique de la chaleur" ("A Teoria Analítica do Calor"), que se tornou a pedra angular do transporte de calor. Ele ressaltou que a condutividade térmica, ou seja, razão do fluxo de calor para o gradiente de temperatura, é uma propriedade intrínseca do próprio material.

p O advento da nanotecnologia, onde as regras da física clássica falham gradualmente conforme as dimensões diminuem, está desafiando a teoria do calor de Fourier de várias maneiras. Um artigo publicado em ACS Nano e liderado por pesquisadores do Instituto Max Planck para Pesquisa de Polímeros (Alemanha), o Instituto Catalão de Nanociência e Nanotecnologia (ICN2) no campus da Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) (Espanha) e o Centro de Pesquisa Técnica VTT da Finlândia (Finlândia) descreve como a topologia em escala nanométrica e a composição química da superfície controlar a condutividade térmica de membranas de silício ultrafinas. O trabalho foi financiado pelo European Project Membrane-based phonon engineering for energy harvesting (MERGING).

p Os resultados mostram que a condutividade térmica das membranas de silício mais finas do que 10 nm é 25 vezes menor do que a do silício cristalino bruto e é controlada em grande parte pela estrutura e composição química de sua superfície. Combinando modelagem atomística realista de última geração, técnicas de fabricação sofisticadas, novas abordagens de medição e modelagem livre de parâmetros de última geração, pesquisadores desvendaram o papel da oxidação da superfície na determinação do espalhamento de vibrações de rede quantizadas (fônons), que são os principais transportadores de calor no silício.

p Ambos os experimentos e modelagem mostraram que a remoção do óxido nativo melhora a condutividade térmica das nanoestruturas de silício por quase um fator de dois, enquanto a reoxidação parcial sucessiva o abaixa novamente. Simulações de dinâmica molecular em grande escala com até 1, 000, 000 átomos permitiram aos pesquisadores quantificar as contribuições relativas para a redução da condutividade térmica decorrente da presença de SiO2 nativo e da redução de dimensionalidade avaliada para um modelo com superfícies perfeitamente especulares.

p O silício é o material escolhido para quase todas as aplicações relacionadas à eletrônica, onde dimensões características abaixo de 10 nm foram alcançadas, por exemplo. em transistores FinFET, e o controle da dissipação de calor torna-se essencial para seu desempenho ideal. Embora a redução da condutividade térmica induzida por camadas de óxido seja prejudicial à propagação de calor em dispositivos nanoeletrônicos, ele se tornará útil para a captação de energia termoelétrica, onde a eficiência depende de evitar a troca de calor na parte ativa do dispositivo.

p A natureza química das superfícies, Portanto, surge como um novo parâmetro-chave para melhorar o desempenho de nanodispositivos eletrônicos e termoelétricos baseados em Si, bem como dos ressonadores nanomecânicos (NEMS). Este trabalho abre novas possibilidades para novos experimentos térmicos e projetos direcionados para manipular o calor em tais escalas.