Nano-sanduíche melhora a transferência de calor, evita o superaquecimento na nanoeletrônica

Um transistor experimental usando óxido de silício para a base, carboneto para o material 2D e óxido de alumínio para o material encapsulante Crédito: Zahra Hemmat

Organizar de modo a “sanduíche” materiais bidimensionais usados em dispositivos nanoeletrônicos entre suas bases de silício tridimensionais e uma camada ultrafina de óxido de alumínio podem reduzir significativamente o risco de falha do componente devido ao superaquecimento, de acordo com um novo estudo publicado na revista Advanced Materials liderada por pesquisadores. na Universidade de Illinois na Faculdade de Engenharia de Chicago.

Muitos dos componentes eletrônicos atuais baseados em silício contêm materiais 2D, como o grafeno. A incorporação de materiais 2D como o grafeno – que é composto por uma camada de átomos de carbono com um único átomo de espessura – nesses componentes permite que eles sejam várias ordens de grandeza menores do que se fossem feitos com materiais 3D convencionais. Além disso, os materiais 2D também permitem outras funcionalidades exclusivas. Mas os componentes nanoeletrônicos com materiais 2D têm um calcanhar de Aquiles – eles são propensos ao superaquecimento. Isso ocorre devido à baixa condutividade térmica dos materiais 2D para a base de silício.

“No campo da nanoeletrônica, a má dissipação de calor dos materiais 2D tem sido um gargalo para o pleno aproveitamento de seu potencial em permitir a fabricação de eletrônicos cada vez menores mantendo a funcionalidade”, disse Amin Salehi-Khojin, professor associado de engenharia mecânica e industrial. na Faculdade de Engenharia da UIC.

Uma das razões pelas quais os materiais 2D não conseguem transferir calor eficientemente para o silício é que as interações entre os materiais 2D e o silício em componentes como os transistores são bastante fracas.

“As ligações entre os materiais 2D e o substrato de silício não são muito fortes, então quando o calor se acumula no material 2D, cria pontos quentes causando superaquecimento e falha do dispositivo”, explicou Zahra Hemmat, estudante de pós-graduação da UIC College of Engineering and co-primeiro autor do artigo.

A fim de melhorar a conexão entre o material 2D e a base de silicone para melhorar a condutância térmica do material 2D para o silício, os engenheiros experimentaram adicionar uma camada extra fina de material sobre a camada 2D – em vigor. criando um “nano-sanduíche” com base de silício e material ultrafino como o “pão”.

“Ao adicionar outra camada ‘encapsulada’ em cima do material 2D, conseguimos dobrar a transferência de energia entre o material 2D e a base de silício”, disse Salehi-Khojin.

Salehi-Khojin e seus colegas criaram um transistor experimental usando óxido de silício para a base, carboneto para o material 2D e óxido de alumínio para o material encapsulante. À temperatura ambiente, os pesquisadores observaram que a condutância do calor do carboneto para a base de silício foi duas vezes maior com a adição da camada de óxido de alumínio versus sem a mesma.

“Embora nosso transistor seja um modelo experimental, isso prova que, adicionando uma camada adicional de encapsulamento a essa nanoeletrônica 2D, podemos aumentar significativamente a transferência de calor para a base de silício, o que ajudará a preservar a funcionalidade desses componentes, reduzindo a É provável que eles se esgotem “, disse Salehi-Khojin. “Nossos próximos passos incluem testar diferentes camadas de encapsulamento para ver se podemos melhorar ainda mais a transferência de calor.”

Com informações da Universidade de Illinois de Chicago