Nanofios de silício isotopicamente puros podem levar a microchips mais rápidos

Cientistas da UC Berkeley desenvolveram e demonstraram um novo tipo de nanofios de silício ultrafinos com propriedades de dissipação de calor muito superiores à tecnologia atualmente usada. A descoberta pode levar a microchips menores e mais rápidos, mas a fabricação pode ser um problema.

O silício na eletrônica moderna é barato, abundante e um bom condutor de eletricidade. No entanto, não é um bom condutor de calor, e isso é um problema, considerando que o excesso de calor é um inimigo natural da eletrônica. O problema só é amplificado em minúsculos microchips que contêm bilhões de transistores.

Como explica o Berkeley Lab, o silício natural é composto por três isótopos principais. Aproximadamente 92 por cento consistem no isótopo silício-28, enquanto os restantes cinco por cento e três por cento são silício-29 e silício-30, respectivamente.

Há muito se teorizava que os chips feitos com silício-28 puro poderiam conduzir melhor o calor e talvez levar a eletrônicos mais rápidos e mais densos. Isso foi testado em meados dos anos 2000, mas as amostras de cristal único exibiram apenas 10% melhor condutividade térmica. Simplificando, não valia o dinheiro e o esforço para criar silício isotopicamente puro para um ganho tão pequeno, então o material isotópico de silício restante foi armazenado no Berkeley Lab caso outros cientistas um dia precisassem dele.

Alguns anos atrás, esse mesmo cenário se apresentou.

Cientistas de Berkeley estavam tentando encontrar maneiras de melhorar a transferência de calor em chips e se perguntaram se o nanofio feito de silício-28 puro ajudaria. Eles entraram em contato com o proprietário do material armazenado e conseguiram garantir o suficiente para testes.

O primeiro teste envolveu cristais de silício-28 de tamanho de 1 milímetro, e seus resultados refletiram a melhoria de 10% realizada anos atrás. A equipe então usou um processo chamado gravura eletrolítica para criar silício natural e nanofios de silício-28 com apenas 90 nanômetros (bilionésimos de metro) de diâmetro, ou cerca de 1.000 vezes mais fino que um fio de cabelo humano.

Os cientistas esperavam um ganho incremental em relação aos resultados anteriores, mas ficaram chocados ao ver que os nanofios puros conduzem o calor 150% melhor do que os nanofios de silício naturais. Como isso foi possível?

Imagem de microscopia eletrônica de transmissão mostrando um nanofio de silício-28 revestido com dióxido de silício (SiO2)

A observação sob uma microscopia eletrônica revelou uma camada semelhante a vidro de dióxido de silício na superfície do nanofio de silício-28. Experimentos de simulação computacional observaram ainda que a ausência de silício-29 e silício-30 impediu que os fônons escapassem para a superfície, onde seriam desacelerados.

Os fônons são descritos como ondas de vibração atômica que transportam calor através do silício. Quando encontram silício-29 ou silício-30, que possuem massas atômicas diferentes, os fônons ficam confusos e ficam mais lentos, dificultando a transferência de calor. Isso não é mais uma preocupação com o silício-28 puro.

“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”, disse o estudo. líder Junqiao Wu.

O próximo objetivo da equipe é determinar se eles podem controlar, em vez de simplesmente medir, a condução de calor em nanofios de silício puro.

O estudo completo foi publicado na revista científica Physical Review Letters.

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