最近，科學家們展示了一種新材料，其導熱效率比先進芯片技術中使用的傳統(tǒng)材料高 150%。

該設備——一種超薄硅納米線——可以實現(xiàn)更小、更快的微電子器件，其傳熱效率超過當前技術。由有效散熱的微芯片驅動的電子設備反過來會消耗更少的能量——這一改進有助于減少燃燒導致全球變暖的富含碳的化石燃料產生的能量消耗。（芯片招聘）

“通過克服硅在導熱能力方面的自然限制，我們的發(fā)現(xiàn)解決了微芯片工程的一個障礙，”領導《Physical Review Letters》研究報告新設備的科學家吳俊喬（音譯）說。吳是加州大學伯克利分校材料科學部的教授科學家和材料科學與工程教授。

熱量通過硅的緩慢流動

我們的電子產品價格相對便宜，因為硅——計算機芯片的首選材料——既便宜又豐富。但是，盡管硅是一種良好的電導體，但當它被縮小到非常小的尺寸時，它就不是一種良好的熱導體——當涉及到快速計算時，這對微型微芯片來說是一個大問題。

在每個微芯片中都有數(shù)百億個硅晶體管，它們引導電子進出存儲單元，將數(shù)據(jù)位編碼為 1 和 0，即計算機的二進制語言。電流在這些辛勤工作的晶體管之間流動，這些電流不可避免地會產生熱量。

熱量自然地從熱的物體流向冷的物體。但是熱流在硅中變得棘手。

在其自然形式中，硅由三種不同的同位素組成——一種化學元素的形式，其原子核中的質子數(shù)量相同，但中子數(shù)量不同（因此質量不同）。

大約 92% 的硅由同位素硅 28 組成，它有 14 個質子和 14 個中子；大約 5% 是硅 29，重量為 14 個質子和 15 個中子；合著者Joel Ager解釋說，只有 3% 是硅 30，它是一種相對重量級的物質，有 14 個質子和 16 個中子，他擁有伯克利實驗室材料科學部的高級科學家和加州大學伯克利分校材料科學與工程的兼職教授頭銜。

（從左到右）Kaichen Dong、Jiachen Li、Ronnen Levinson、Junqiao Wu，研發(fā)智能屋頂涂料的研究團隊，隨著表面溫度的升高，自動從低熱發(fā)射率（保留熱量）切換到高熱發(fā)射率（釋放熱量）拍攝于勞倫斯伯克利國家實驗室，加利福尼亞州伯克利，2021 年 11 月 5 日。

作為攜帶熱量的原子振動波聲子（phonons），它們穿過硅的晶體結構，當它們撞到硅 29 或硅 30 時，它們的方向會發(fā)生變化，它們的不同原子質量會“混淆”聲子，從而減慢它們的速度。

“聲子最終得到了這個想法，并找到了通往冷端以冷卻硅材料的方式，”但這種間接路徑會導致廢熱積聚，這反過來也會降低你的計算機速度，Ager 說。

邁向更快、更密集的微電子學的一大步

幾十年來，研究人員推測，由純硅 28 制成的芯片將克服硅的熱導率限制，從而提高更小、更密集的微電子器件的處理速度。

但是，將硅提純成單一同位素需要高強度的能量，很少有設施可以提供 - 更不用說專門制造市場就緒的同位素，Ager 說。

幸運的是，2000 年代初期的一個國際項目使 Ager 和領先的半導體材料專家 Eugene Haller 能夠從前蘇聯(lián)時代的同位素制造廠采購四氟化硅氣體——同位素純化硅的起始材料。

Haller 于 1984 年創(chuàng)立了伯克利實驗室的 DOE 資助的電子材料計劃，曾任伯克利實驗室材料科學部的資深教授科學家和加州大學伯克利分校的材料科學與礦物工程教授。他于2018年去世。

這引領了一系列開創(chuàng)性的實驗，包括 2006 年發(fā)表在《自然》雜志上的一項研究，其中 Ager 和 Haller 將硅 28 制成單晶，他們用它來證明量子存儲器將信息存儲為量子比特或量子比特，數(shù)據(jù)單元同時存儲為電子自旋中的一和零。

隨后，用 Ager 和 Haller 的硅同位素材料制成的半導體薄膜和單晶被證明具有比天然硅高 10% 的導熱率——這是一種改進，但從計算機行業(yè)的角度來看，可能不足以證明花費 1000 美元是合理的。Ager 說，用同位素純硅制造計算機要多出幾倍的錢。

但Ager 知道，硅同位素材料在量子計算之外具有重要的科學意義。所以他把剩下的東西放在伯克利實驗室的一個安全地方，以防其他科學家可能需要它，因為很少有人有資源制造甚至購買同位素純硅，他推斷。

使用硅 28 走向更冷技術的道路

大約三年前，Wu 和他的研究生 Penghong Ci 試圖想出新的方法來提高硅芯片的傳熱率。

制造更高效晶體管的一種策略涉及使用一種稱為環(huán)柵場效應晶體管的納米線。吳解釋說，在這些設備中，硅納米線被堆疊以導電，同時產生熱量。“如果產生的熱量沒有迅速排出，該設備將停止工作，類似于沒有疏散地圖的高層建筑中的火警警報，”他說。

但他解釋說，硅納米線的熱傳輸更差，因為它們粗糙的表面——化學加工留下的疤痕——會更加分散或“混淆”聲子。

由硅納米線橋接的兩個懸浮焊盤組成的微型器件的光學顯微鏡圖像。（圖片來源：Junqiao Wu/伯克利實驗室）

“然后有一天，我們想知道，'如果我們用同位素純硅 28 制造納米線會發(fā)生什么？'”吳說。

硅同位素不是一個可以在公開市場上輕易買到的東西，而且有消息稱，Ager 在伯克利實驗室仍然儲存了一些硅同位素晶體——數(shù)量不多，但仍然足以分享“如果有人對如何使用它，”Ager 說。“而俊喬的新研究就是這樣一個例子。”

納米測試的驚人大發(fā)現(xiàn)

“我們真的很幸運，Joel碰巧擁有可用于研究的富含同位素的硅材料，”吳說。

使用 Ager 的硅同位素材料，Wu 團隊測試了大塊 1 毫米大小的硅 28 晶體與天然硅的熱導率——他們的實驗再次證實了 Ager 和他的合作者幾年前發(fā)現(xiàn)的東西——大塊硅 28 導熱僅比天然硅好 10%。

他們現(xiàn)在進行納米測試，使用一種稱為化學蝕刻的技術，Ci 制造了直徑僅為 90 納米（十億分之一米）的天然硅和硅 28 納米線——大約比一根人類頭發(fā)細一千倍。

為了測量熱導率，Ci 將每根納米線懸掛在兩個配備鉑電極和溫度計的微型加熱器墊之間，然后向電極施加電流以在一個墊上產生熱量，然后通過納米線流向另一個墊。

“我們預計只會看到使用同位素純材料進行納米線熱傳導的增量收益——大約 20%，”Wu 說。

但Ci的測量結果讓他們大吃一驚。Si-28 納米線的導熱性能不是 10% 甚至 20%，而是比具有相同直徑和表面粗糙度的天然硅納米線好150% 。

吳說，這違背了他們期望看到的一切。納米線的粗糙表面通常會減慢聲子的速度。那么到底發(fā)生了什么？

萊斯大學的 Matthew R. Jones 和 Muhua Sun 拍攝的材料的高分辨率 TEM（透射電子顯微鏡）圖像揭示了第一個線索：硅 28 納米線表面上的玻璃狀二氧化硅層。

馬薩諸塞大學阿默斯特分校由納米線導熱性專家 Zlatan Aksamija 領導的計算模擬實驗表明，同位素“缺陷”——硅 29 和硅 30——的缺失阻止了聲子逃逸到表面，二氧化硅層會大大減慢聲子的速度。這反過來又使聲子在硅 28 納米線的“核心”內沿著熱流方向保持在軌道上——因此更少“混淆”。（Aksamija 目前是猶他大學材料科學與工程系的副教授。）

“這真是出乎意料。發(fā)現(xiàn)兩種獨立的聲子阻擋機制——表面與同位素，以前被認為是相互獨立的——現(xiàn)在協(xié)同工作，使我們在熱傳導方面受益，這非常令人驚訝，但也非常令人欣慰，”吳說。

“Junqiao和團隊發(fā)現(xiàn)了一種新的物理現(xiàn)象，”Ager說。“這是好奇心驅動的科學的真正勝利。這很令人興奮。”

吳說，該團隊下一步計劃將他們的發(fā)現(xiàn)帶到下一步：通過研究如何“控制，而不僅僅是測量這些材料中的熱傳導”。

萊斯大學的研究人員；馬薩諸塞大學阿默斯特分校；深圳大學和清華大學參與了這項研究。（半導體招聘）

這項工作得到了美國能源部科學辦公室的支持。

來源：半導體行業(yè)觀察