Křemík používaný v elektronice se skládá ze 3 izotopů, což má vliv na jeho celkem nedobrou tepelnou vodivost, alespoň v miniaturizovaných systémech. Junqiao Wu z Kalifornské univerzity v Berkeley navrhuje jako řešení ultratenké křemíkové nanodrátky.
Cca 92 % křemíku tvoří izotop Si-28, který má 14 protonů a 14 neutronů, asi 5 % izotop Si-29 a 3 % izotop Si-30. Fonony (kvazičástice, „vlny vibrací atomů“) při přenosu tepla v krystalové mřížce křemíku mění směr v závislosti na tom, s jakým izotopem se srazí. V křemíku složeném z různých izotopů je proto přenos tepla relativně pomalejší.
Již několik desetiletí proto vědci předpokládají, že čipy vyrobené z čistého křemíku 28 překonají stávající limit tepelné vodivosti křemíku a umožní další miniaturizaci elektroniky. Problém ovšem je, že oddělování jednotlivých izotopů křemíku od sebe je náročné/drahé. Získat relativně čistý Si-28 už i jen v množství potřebném pro další experimenty je celkem problém.
Na počátku nového tisíciletí se podařilo nejprve získat plynný fluorid křemičitý (dle průvodní tiskové zprávy výchozí materiál pro izotopicky čištěný křemík) z bývalého závodu na výrobu izotopů ze sovětské éry. Následně se ukázalo, že polovodičové tenké vrstvy a monokrystaly vyrobené z izotopu křemíku 28 mají o 10 % vyšší tepelnou vodivost než „přírodní křemík“ (směs izotopů) – což rozhodně není dost na to, aby se takhle speciální procesy vyplatilo provádět pro průmyslové využití. Nicméně z tehdejších pokusů se ještě nějaké množství cca čistého izotopu Si-28 podařilo uchovat.
Další etapa výzkumu odstartovala před 3 lety, když se jiný tým pokoušel vyrobit účinnější tranzistory (typu Gate-All-Around Field Effect Transistor) pomocí křemíkových nanodrátků. Fungování těchto zařízení je ovšem přímo závislé na rychlém odvodu vznikajícího tepla. Autoři nové studie proto zkusili pro tuto techniku využít právě čistý křemík izotopu 28. Při dalších experimentech v „objemových“ krystalech Si-28 o velikosti 1 milimetru ve srovnání s přírodním křemíkem se ukázalo, že vedení tepla je v souladu s předcházejícími výsledky lepší opravdu jen asi o 10 %.
Poté ale vědci pomocí techniky elektrolytického leptání vytvořili z přírodního křemíku a křemíku-28 nanodrátky o průměru 90 nanometrů. Každý nanodrátek vložili mezi dvě mikroohřívací podložky vybavené platinovými elektrodami a teploměry a poté přivedli na elektrodu elektrický proud, čímž se na jedné podložce vytvořilo teplo, které přes nanodrátek proudilo na druhou podložku. Ukázalo se, že nanodrátky Si-28 vedly oproti směsi izotopů křemíku teplo účinněji o celých 150 %.
Snímky pomocí TEM (transmisní elektronová mikroskopie) s vysokým rozlišením pak tento rozdíl vysvětlily tak, že u povrchu nanodrátku z čistého křemíku vzniká vrstva skla (oxid křemičitý). Další experimenty a simulace vedly k závěru, že díky nepřítomnosti izotopových defektů mohou fonony v čistém křemíku 28 hůře pronikat na povrch a pohybují se spíš v jádru nanodrátku.
Penghong Ci et al, Giant Isotope Effect of Thermal Conductivity in Silicon Nanowires, Physical Review Letters (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.085901
Zdroj: Lawrence Berkeley National Laboratory / TechXplore.com
