Plus několik dalších novinek z vědy/elektroniky. Fonony, polaritony a řízení přenosu tepla.
Výzkumníci z Argonne National Laboratory (spadá pod americké ministerstvo energetiky) a Purdue University nedávno nový druh plně optického přepínače. Je vyroben ze dvou různých materiálů, z nichž každý má jinou dobu přepnutí. Jeden materiál, oxid zinečnatý dopovaný hliníkem, má dobu přepínání v rozsahu pikosekund, zatímco druhý, plazmonický nitrid titanu, je více než stokrát pomalejší, v rozsahu nanosekund. Na rozdíl od elektronických obvodů v případě optických součástek nedochází k odporově-kapacitním zpožděním, což znamená, že tyto čipy mohou (alespoň teoreticky) pracovat o několik řádů rychleji.
Rozdíl v době přepínání mezi oběma kovovými součástkami znamená, že přepínač může být flexibilnější, rychle přenášet data a zároveň je efektivně ukládat. „Když chcete pomalejší aplikace, jako je ukládání do paměti, přepínáte jedním materiálem; pro rychlejší aplikace přepnete druhým. Tato schopnost je nová,“ uvádí spoluautor studie Soham Saha z Argonne.
Soham Saha et al, Engineering the temporal dynamics of all-optical switching with fast and slow materials, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-41377-5
Zdroj: Argonne National Laboratory / Phys.org
Tranzistory z nitridu galia (GaN) jsou vysoce výkonné a vysokofrekvenční polovodičové součástky používané v mobilních datových a satelitních systémech. Výkon, respektive hustota výkonu těchto tranzistorů způsobuje intenzivní produkci tepla. Diamant, který má ze všech známých přírodních materiálů nejvyšší tepelnou vodivost, by proto jako substrát pro nitrid galia byl ideálním řešením, ale zatím se v praxi nepoužívá kvůli obtížím s lepením diamantu na prvky GaN.
Jianbo Liang a Naoteru Shigekawa z Osaka Metropolitan University a jejich kolegové nyní oznámili, že se jim oba materiály konečně podařilo úspěšně zkombinovat. Nová technologie má více než dvojnásobný výkon při odvodu tepla oproti tranzistorům stejného tvaru vyrobeným na substrátu z karbidu křemíku (SiC). Aby výzkumníci maximalizovali vysokou tepelnou vodivost diamantu, integrovali mezi GaN a diamant vrstvu 3C-SiC (kubický karbid křemíku). Tato technika výrazně snižuje tepelný odpor rozhraní a zlepšuje odvod tepla.
Ryo Kagawa et al, High Thermal Stability and Low Thermal Resistance of Large Area GaN/3C‐SiC/Diamond Junctions for Practical Device Processes, Small (2023). DOI: 10.1002/smll.202305574
Zdroj: Osaka Metropolitan University / Phys.org
Přenos tepla v pevných materiálech se uskutečňuje prostřednictvím kvazičástic – fononů. Nejnovější elektronika je ovšem již natolik „nano“, že tento způsob není příliš účinný. Řešením by proto mohly být jiné kvazičástce kombinující fonony a fotony – tzv. polaritony.
Polaritony se již používají v optických aplikacích, jejich schopnost přenášet teplo však byla do značné míry ignorována, protože jejich vliv se stává významným až tehdy, když se velikost materiálů stane velmi malou. Významné se stávají až v nanoměřítku. Konkrétně polaritony začínají dominovat při přenosu tepla na jakémkoli povrchu tenčím než 10 nanometrů. To je ovšem dvakrát více, než mají tranzistory v iPhonu 15, takže z pohledu technologie jde již o reálný stav.
Nová práce se zabývá právě tím, jak vytvořit prostředí šetrné k polaritonům, respektive vytvořit v elektronice další cestu pro přenos tepla. Nejde přitom jen o polovodiče, protože v čipech najdeme i izolanty a kovy. Na polaritony by se podle studie mělo myslet už při fyzikálním návrhu čipu – od volby materiálů až po tvar a tloušťku jednotlivých vrstev.
Jacob Minyard et al, Material characteristics governing in-plane phonon-polariton thermal conductance, Journal of Applied Physics (2023). DOI: 10.1063/5.0173917
Zdroj: Purdue University / Phys.org
