p Encontrar maneiras de gerenciar o fluxo de calor no silício pode impulsionar o desempenho dos semicondutores, mas, até aqui, descobrir o design certo continua difícil de ser alcançado. Agora, uma equipe de pesquisadores da Penn State relata que uma técnica de fabricação pode oferecer um caminho para dominar o fluxo frequentemente caótico de transportadores de calor em nanoescala em silício e outros semicondutores. p Em um estudo, os pesquisadores usaram supercomputadores para testar um projeto que insere buracos do tamanho de nanômetros em um semicondutor de silício e descobriram que o modelo resultante, que consiste em inclusões de forma esférica distribuídas uniformemente, podem influenciar dramaticamente a capacidade de canalizar o calor por meio de vibrações atômicas chamadas fônons. As inclusões são orifícios com raios entre 7 e 30 nanômetros. Como comparação, um cabelo humano tem cerca de 80, 000 nanômetros de largura.

p Os pesquisadores acrescentaram que este é um passo significativo para entender como controlar o fluxo de calor através de semicondutores de silício e, um dia, melhorando o desempenho desses chips.

p Controlar o fluxo de calor é difícil por causa da maneira como os fônons ricocheteiam nos materiais em certas escalas, disse Ismaila Dabo, professor associado de ciência e engenharia de materiais.

p "Quando você olha para o calor do nível de ser feito de fônons, as partículas que conduzem calor, você rapidamente percebe que esses fônons só podem ir até certo ponto sem serem desviados, "disse Dabo, que também é associado do Instituto de Ciências da Computação e Dados (ICDS), que opera o supercomputador no qual a pesquisa da equipe foi conduzida. "Então, há apenas uma distância limitada que um fônon pode viajar no material e essa distância é da ordem de 50 nanômetros para 1, 000 nanômetros para a maioria dos materiais. "

p Quando a geometria das estruturas feitas com esses materiais está na ordem dessas escalas de comprimento, o comportamento dos fônons se torna mais complicado, de acordo com Brian Foley, professor assistente de engenharia mecânica.

p "Nas últimas décadas, as pessoas têm tentado projetar materiais de baixa condutividade térmica para coisas como termelétricas e revestimentos de barreira térmica, "disse Foley." Este trabalho mostra que se você continuar esta abordagem nanoestruturada no regime de sub-10 nm em um sistema geométrico ordenado, você passa por uma condutividade térmica mínima e, em seguida, recupera rapidamente as propriedades em massa à medida que as inclusões continuam a encolher e, por fim, desaparecem. Agora, ser capaz de acessar o outro lado desse mínimo, Acho que está ficando mais interessante porque podemos projetar materiais com condutividade térmica que são mais sensíveis aos parâmetros de tamanho. "

p Embora este trabalho represente uma etapa importante, ainda é apenas um passo inicial, de acordo com os pesquisadores, que relatam suas descobertas em uma edição recente da ACS Nano . Contudo, pode abrir outras possibilidades, além dos aprimoramentos do chip de computador, no futuro. O design poderia, por exemplo, ajudam a converter o calor que poderia ser desperdiçado em energia utilizável.

p "Isso estabelece uma meta para a próxima década ou mais, Eu acredito, usar sistemas avançados como esses para projetar equivalentes térmicos a dispositivos elétricos, como diodos e transistores, ", disse Foley." Eliminar o calor e ajudar na eficiência energética seriam os benefícios mais diretos desses dispositivos térmicos - a computação de fônons e a computação térmica são outras maneiras de usá-los. "

p Os pesquisadores disseram que o trabalho também ajuda outros cientistas a explorar o mundo muitas vezes estranho de trabalhar com fônons. Embora a maioria das pessoas perceba que elétrons e fótons podem exibir comportamentos tanto ondulatórios quanto particulados, eles podem não saber que os fonons têm uma qualidade semelhante, disse Weinan Chen, assistente de pesquisa de pós-graduação e co-autor do artigo.

p "Sabemos que um elétron pode ser uma partícula ou uma onda, que é a base da física moderna, "disse Chen." O mesmo conceito se aplica aos fônons. Pode ser visto como uma partícula e pode ser visto como uma onda. Nesse caso, não está mais transportando eletricidade, é uma corrente de calor. Então, isso é muito sensível à temperatura e como a temperatura é distribuída pelo material. "

p Ao contrário de elétrons e fótons, Os fônons precisam existir em um estado de matéria condensada - o que dá aos pesquisadores que estudam os fônons muitas dores de cabeça.

p "Às vezes pensamos que o mundo da eletrônica o fez - com caminhos condutores bem definidos e 'gases' de elétrons e lacunas de interação fraca que raramente se veem, "disse Foley." Mas, o fluxo de calor pode ser mais difícil de estudar, pois é difícil de confinar e vai para todos os lugares; para não mencionar os meandros dos fônons conforme eles batem uns nos outros, eles saltam em outras coisas. É uma rede interconectada de cross-talk e colisões; pode ser uma grande bagunça. "

p Disha Talreja, aluno de doutorado e co-primeiro autor do trabalho, compartilha esse sentimento, dizendo que medir o fluxo de calor nessas estruturas complicadas foi muito gratificante. Disse Talreja, "Sintetizar poros de tamanho nanométrico de uma forma ordenada em materiais como o silício e ser capaz de capturar experimentalmente a difusão teoricamente prevista de fônons através deles foi de fato uma jornada emocionante."

p Dabo e Foley acrescentaram que a capacidade de projetar precisamente essas nanoestruturas - ou ajustabilidade - não teria sido possível sem as técnicas de nanofabricação desenvolvidas pelo falecido John Badding.

p "O processo de fabricação, para mim, é alucinante, "disse Foley." O que John Badding desenvolveu é perturbador, pois é uma avenida totalmente nova para projetar estruturas térmicas. Espero que possamos ajudar a tornar isso parte de seu legado tanto para a química quanto para as ciências em geral. "