Nano-Scale Discovery может помочь снизить перегрев электроники

«Часто нагревание является сложной задачей при разработке электроники. Вы создаете устройство, а затем обнаруживаете, что оно нагревается быстрее, чем хотелось бы », – сказал соавтор исследования Джошуа Кноблох, научный сотрудник JILA, совместного исследовательского института между CU Boulder и Национальным институтом стандартов и технологий (NIST). «Наша цель состоит в том, чтобы понять фундаментальную физику, чтобы мы могли проектировать будущие устройства для эффективного управления потоком тепла».

Лазер нагревает ультратонкие кремниевые полоски. 

Исследование началось с необъяснимого наблюдения: в 2015 году исследователи под руководством физиков Маргарет Мурнейн и Генри Каптейна из JILA экспериментировали с металлическими брусками, которые были во много раз тоньше человеческого волоса на кремниевой основе. Когда они нагрели эти прутья лазером, произошло нечто странное.

«Они вели себя очень нелогично», – сказал Кноблох. «Эти наноразмерные источники тепла обычно не рассеивают тепло эффективно. Но если собрать их близко друг к другу, они остынут гораздо быстрее ».

Теперь исследователи знают, почему это происходит.

В новом исследовании они использовали компьютерное моделирование, чтобы отследить прохождение тепла от их наноразмерных стержней. Они обнаружили, что, когда они поместили источники тепла близко друг к другу, создаваемые ими колебания энергии начали отражаться друг от друга, рассеивая тепло и охлаждая стержни.

Результаты группы подчеркивают серьезную проблему при разработке следующего поколения крошечных устройств, таких как микропроцессоры или квантовые компьютерные чипы: когда вы уменьшаетесь до очень маленьких размеров, тепло не всегда ведет себя так, как вы думаете.

Атом за атомом

Исследователи добавили, что передача тепла в устройствах имеет значение. Даже незначительные дефекты в конструкции электроники, такой как компьютерные микросхемы, могут привести к повышению температуры, увеличивая износ устройства. Поскольку технологические компании стремятся производить все меньше и меньше электроники, им нужно будет уделять больше внимания, чем когда-либо прежде, фононам – колебаниям атомов, которые переносят тепло в твердых телах.

«Тепловой поток связан с очень сложными процессами, поэтому его трудно контролировать», – сказал Кноблох. «Но если мы сможем понять, как фононы ведут себя в малом масштабе, тогда мы сможем адаптировать их транспорт, что позволит нам создавать более эффективные устройства».

Для этого Мурнейн и Каптейн и их команда физиков-экспериментаторов объединили свои усилия с группой теоретиков во главе с Махмудом Хусейном, профессором кафедры аэрокосмической инженерии Энн и Х. Дж. Смид. Его группа специализируется на моделировании движения фононов.

«В атомном масштабе сама природа теплопередачи предстает в новом свете», – сказал Хусейн, которого также пригласили на прием в Департаменте физики.

Исследователи, по сути, воссоздали свой эксперимент, проведенный несколькими годами ранее, но на этот раз полностью на компьютере. Они смоделировали серию силиконовых стержней, уложенных бок о бок, как рейки в железнодорожном полотне, и нагрели их.

По словам Кноблоха, моделирование было настолько подробным, что команда могла проследить поведение каждого атома в модели – всего их миллионов – от начала до конца.

«Мы действительно раздвинули границы памяти суперкомпьютера Summit в CU Boulder», – сказал он.

Направление тепла

Техника окупилась. Исследователи обнаружили, например, что, когда они располагали кремниевые стержни достаточно далеко друг от друга, тепло, как правило, уходило от этих материалов предсказуемым образом. Энергия просачивалась из прутьев в материал под ними, рассеиваясь во всех направлениях.

Однако, когда решетки стали ближе друг к другу, произошло кое-что еще. По мере того, как тепло от этих источников рассеивалось, оно фактически заставляло эту энергию более интенсивно течь от источников – как толпа людей на стадионе, толкающихся друг против друга и в конце концов выпрыгивающих из выхода. Команда назвала это явление «направленным тепловым каналом».

«Это явление увеличивает перенос тепла вниз в основание и от источников тепла», – сказал Кноблох.

Исследователи подозревают, что однажды инженеры смогут воспользоваться этим необычным поведением, чтобы лучше понять, как течет тепло в небольшой электронике, – направляя эту энергию по желаемому пути, вместо того, чтобы позволять ей бегать безумно и свободно.

На данный момент исследователи видят в последнем исследовании то, что ученые из разных дисциплин могут делать, работая вместе.

«Этот проект был таким захватывающим сотрудничеством между наукой и инженерией – где передовые методы вычислительного анализа, разработанные группой Махмуда, были критически важны для понимания поведения новых материалов, обнаруженных ранее нашей группой с использованием новых экстремальных ультрафиолетовых квантовых источников света», – сказал Мурнейн, также профессор физика.