研究:新型超薄硅纳米线可带来更小、更快的微芯片

2022年05月20日 09:32 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

来自加利福尼亚州大学伯克利分校的科学家们已经开发并展示了一种新型的超薄硅纳米线,其散热性能远远优于目前使用的技术。这一发现可能会带来更小、更快的微芯片,但制造可能是一个问题。

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现代电子产品中的硅是廉价、丰富和良好的电导体。然而它不是一个好的热导体。而这个问题在装有数十亿个晶体管的微型芯片中只会被放大。

正如伯克利实验室所说的那样,天然硅是由三种主要的同位素组成。大约92%由同位素硅-28组成,剩余的5%和3%分别为硅-29和硅-30。

长期以来,人们一直认为用纯硅-28制成的芯片可以更好地导热并可能生产出更快和更密集的电子产品。这在2000年代中期进行了测试,但单晶样品的导热性能只提高了10%。简单地说,为了这么小的收益而制造同位素纯硅是不值得的,所以剩余的硅同位素材料被储存在伯克利实验室以备其他科学家有朝一日会用到它。

几年前,这种情况就出现了。

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伯克利的科学家们正在试图想出改善芯片传热的方法,另外他们还想知道由纯硅-28制成的纳米线是否会有帮助。他们跟储存材料的所有者取得联系并获得了足够的测试材料。

第一次测试涉及1毫米大小的散装硅-28晶体,其结果反映了几年前实现的10%的改进。然后,该团队使用一种称为无电解蚀刻的工艺来制作直径仅为90纳米(十亿分之一米)的天然硅和硅-28纳米线,或比一缕人类头发薄约1000倍。

科学家们预计比以前的结果有增量,但他们震惊地看到,纯纳米线的导热性竟然比天然硅纳米线好150%。

在电子显微镜下观察发现,研究人员在硅-28纳米线的表面看到了一层玻璃状的二氧化硅。计算模拟实验进一步指出,当没有硅-29和硅-30的情况下,声子无法逃到表面,在那里它们会被减慢。

声子被描述为原子振动的波,它在硅中携带热量。当遇到具有不同原子质量的硅-29或硅-30时,声子会被混淆并减慢速度进而阻碍热传递。对于纯硅-28来说,这不再是一个问题。

研究负责人Junqiao Wu说道:“发现两个独立的声子阻断机制--表面跟同位素,以前被认为是相互独立的--现在协同工作,这使我们在热传导中受益,这非常令人惊讶,但也非常令人高兴。”

研究小组表示,他们的下一个目标是确定他们是否能控制,而非简单地测量纯硅纳米线的热传导。

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