Os cientistas demonstraram um novo material que conduz o calor 150% mais eficientemente do que os materiais convencionais usados ​​em tecnologias avançadas de chips.
O dispositivo – um nanofio de silício ultrafino – poderia permitir microeletrônica menores e mais rápidas com uma eficiência de transferência de calor que supera as tecnologias atuais. Dispositivos eletrônicos alimentados por microchips que dissipam o calor com eficiência consumiriam menos energia, uma melhoria que poderia ajudar a mitigar o consumo de energia produzida pela queima de combustíveis fósseis ricos em carbono que contribuíram para o aquecimento global.

"Ao superar as limitações naturais do silício em sua capacidade de conduzir calor, nossa descoberta enfrenta um obstáculo na engenharia de microchips", disse Junqiao Wu, cientista que liderou as Cartas de Revisão Física estudo relatando o novo dispositivo. Wu é um cientista do corpo docente da Divisão de Ciências de Materiais e professor de ciência e engenharia de materiais na UC Berkeley.

Fluxo lento do calor através do silício

Nossos eletrônicos são relativamente acessíveis porque o silício – o material de escolha para chips de computador – é barato e abundante. Mas embora o silício seja um bom condutor de eletricidade, não é um bom condutor de calor quando reduzido a tamanhos muito pequenos – e quando se trata de computação rápida, isso apresenta um grande problema para microchips minúsculos.

Dentro de cada microchip residem dezenas de bilhões de transistores de silício que direcionam o fluxo de elétrons dentro e fora das células de memória, codificando bits de dados como uns e zeros, a linguagem binária dos computadores. Correntes elétricas correm entre esses transistores que trabalham duro, e essas correntes inevitavelmente geram calor.

O calor flui naturalmente de um objeto quente para um objeto frio. Mas o fluxo de calor fica complicado no silício.

Em sua forma natural, o silício é composto de três isótopos diferentes – formas de um elemento químico contendo um número igual de prótons, mas um número diferente de nêutrons (portanto, massa diferente) em seus núcleos.

Cerca de 92% do silício consiste no isótopo silício-28, que possui 14 prótons e 14 nêutrons; cerca de 5% é silício-29, pesando 14 prótons e 15 nêutrons; e apenas 3% é silício-30, um peso relativamente pesado com 14 prótons e 16 nêutrons, explicou o coautor Joel Ager, que detém títulos de cientista sênior na Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab e professor adjunto de ciência e engenharia de materiais na UC Berkeley.

À medida que os fônons, as ondas de vibração atômica que transportam calor, serpenteiam pela estrutura cristalina do silício, sua direção muda quando se chocam com o silício-29 ou o silício-30, cujas diferentes massas atômicas "confundem" os fônons, desacelerando-os.

“Os fônons eventualmente entendem a ideia e encontram o caminho para a extremidade fria para resfriar o material de silício”, mas esse caminho indireto permite que o calor residual se acumule, o que, por sua vez, também diminui a velocidade do computador, disse Ager.

Um grande passo para uma microeletrônica mais rápida e mais densa

Por muitas décadas, os pesquisadores teorizaram que os chips feitos de silício-28 puro superariam o limite de condutividade térmica do silício e, portanto, melhorariam as velocidades de processamento de microeletrônicos menores e mais densos.

Mas purificar o silício em um único isótopo requer níveis intensos de energia que poucas instalações podem fornecer – e menos ainda se especializam na fabricação de isótopos prontos para o mercado, disse Ager.

Felizmente, um projeto internacional do início dos anos 2000 permitiu que Ager e o especialista em materiais semicondutores Eugene Haller adquirissem o gás tetrafluoreto de silício – o material inicial para o silício isotopicamente purificado – de uma antiga fábrica de isótopos da era soviética.

Isso levou a uma série de experimentos pioneiros, incluindo um estudo de 2006 publicado na Nature , em que Ager e Haller moldaram o silício-28 em cristais únicos, que usaram para demonstrar a memória quântica armazenando informações como bits quânticos ou qubits, unidades de dados armazenadas simultaneamente como um e zero no spin de um elétron.

Posteriormente, filmes finos semicondutores e monocristais feitos com material isotópico de silício de Ager e Haller mostraram ter uma condutividade térmica 10% maior do que o silício natural - uma melhoria, mas do ponto de vista da indústria de computadores, provavelmente não o suficiente para justificar o gasto de mil vezes mais dinheiro para construir um computador de silício isotopicamente puro, disse Ager.

Mas Ager sabia que os materiais de isótopos de silício eram de importância científica além da computação quântica. Então ele manteve o que restava em um lugar seguro no Berkeley Lab, apenas no caso de outros cientistas precisarem, porque poucas pessoas têm recursos para fazer ou mesmo comprar silício isotopicamente puro, ele raciocinou.

Um caminho para uma tecnologia mais fria com silicone-28

Cerca de três anos atrás, Wu e seu aluno de pós-graduação Penghong Ci estavam tentando encontrar novas maneiras de melhorar a taxa de transferência de calor em chips de silício.

Uma estratégia para fazer transistores mais eficientes envolve o uso de um tipo de nanofio chamado Gate-All-Around Field Effect Transistor. Nesses dispositivos, nanofios de silício são empilhados para conduzir eletricidade e o calor é gerado simultaneamente, explicou Wu. “E se o calor gerado não for extraído rapidamente, o dispositivo pararia de funcionar, semelhante a um alarme de incêndio soando em um prédio alto sem um mapa de evacuação”, disse ele.

Mas o transporte de calor é ainda pior em nanofios de silício, porque suas superfícies ásperas - cicatrizes de processamento químico - espalham ou "confundem" os fônons ainda mais, explicou ele.

"E então um dia nos perguntamos:'O que aconteceria se fizéssemos um nanofio de silício-28 isotopicamente puro?'", disse Wu.

Os isótopos de silício não são algo que se possa comprar facilmente no mercado aberto, e dizia-se que Ager ainda tinha alguns cristais de isótopos de silício armazenados no Berkeley Lab - não muitos, mas ainda o suficiente para compartilhar "se alguém tiver uma ótima idéia sobre como para usá-lo", disse Ager. "E o novo estudo de Junqiao foi um desses casos."

Uma grande revelação surpreendente com testes nano

"Estamos muito felizes que Joel tenha o material de silício isotopicamente enriquecido pronto para uso no estudo", disse Wu.

Usando os materiais de isótopos de silício de Ager, a equipe de Wu testou a condutividade térmica em cristais de silício-28 de 1 milímetro de tamanho versus silício natural - e, novamente, seu experimento confirmou o que Ager e seus colaboradores descobriram anos atrás - que o silício-28 em massa conduz calor apenas 10% melhor do que o silício natural.

Agora para o teste nano. Usando uma técnica chamada gravação sem eletrodos, Ci fez silício natural e nanofios de silício-28 com apenas 90 nanômetros (bilionésimos de metro) de diâmetro – cerca de mil vezes mais finos do que um único fio de cabelo humano.

Para medir a condutividade térmica, Ci suspendeu cada nanofio entre duas almofadas de microaquecedor equipadas com eletrodos e termômetros de platina e, em seguida, aplicou uma corrente elétrica ao eletrodo para gerar calor em uma almofada que flui para a outra almofada através do nanofio.

"Esperávamos ver apenas um benefício incremental - algo como 20% - do uso de material isotopicamente puro para condução de calor de nanofios", disse Wu.

Mas as medidas de Ci surpreenderam a todos. Os nanofios de Si-28 conduziram calor não 10% ou mesmo 20%, mas 150% melhor do que os nanofios de silício natural com o mesmo diâmetro e rugosidade superficial.

Isso desafiou tudo o que eles esperavam ver, disse Wu. A superfície áspera de um nanofio normalmente desacelera os fônons. Então o que estava acontecendo?

Imagens de alta resolução TEM (microscopia eletrônica de transmissão) do material capturadas por Matthew R. Jones e Muhua Sun na Rice University descobriram a primeira pista:uma camada de dióxido de silício semelhante a vidro na superfície do nanofio de silício-28.

Experimentos de simulação computacional na Universidade de Massachusetts Amherst, liderados por Zlatan Aksamija, um dos principais especialistas em condutividade térmica de nanofios, revelaram que a ausência de "defeitos" isotópicos - silício-29 e silício-30 - impediu que os fônons escapassem para a superfície, onde a camada de dióxido de silício diminuiria drasticamente os fônons. Isso, por sua vez, manteve os fônons na direção do fluxo de calor - e, portanto, menos "confuso" - dentro do "núcleo" do nanofio de silício-28. (Aksamija é atualmente professor associado de ciência e engenharia de materiais na Universidade de Utah.)

"Isso foi realmente inesperado. Descobrir que dois mecanismos separados de bloqueio de fônons - a superfície versus os isótopos, que anteriormente se acreditava serem independentes um do outro - agora funcionam sinergicamente para nosso benefício na condução de calor é muito surpreendente, mas também muito gratificante, "Wu disse.

"Junqiao e a equipe descobriram um novo fenômeno físico", disse Ager. "Este é um verdadeiro triunfo para a ciência baseada na curiosidade. É bastante emocionante."

Wu disse que a próxima equipe planeja levar sua descoberta para o próximo passo:investigando como "controlar, em vez de apenas medir, a condução de calor nesses materiais". + Explorar mais

Material de silício termoelétrico atinge condutividade térmica recorde