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新的硅納米線：導熱效率高150%，可制造更小更快的微電子器件

文章來源：賢集網更新時間：2022-05-18 16:38:28

5月18日消息，科學家們展示了一種新材料，其導熱效率比先進芯片技術中使用的傳統材料高 150%。

這種超薄硅納米線，可以用于制造更小、更快的微電子器件，其傳熱效率超過當前技術。由有效散熱的微芯片驅動的電子設備反過來會消耗更少的能量——這一改進有助于減少燃燒導致全球變暖的富含碳的化石燃料產生的能量消耗。

“通過克服硅在導熱能力方面的自然限制，我們的發現解決了微芯片工程的一個障礙，”領導《物理評論快報》研究報告新設備的科學家吳俊橋說。吳是加州大學伯克利分校材料科學部的教授科學家和材料科學與工程教授。

表面有一層二氧化硅的硅 28 納米線的透射電子顯微鏡圖像。圖片來源：Matthew R. Jones 和 Muhua Sun/萊斯大學

熱量通過硅的緩慢流動

我們的電子產品相對便宜，因為硅——計算機芯片的首選材料——既便宜又豐富。但是，盡管硅是一種良好的電導體，但當它被縮小到非常小的尺寸時，它就不是一種良好的熱導體——當涉及到快速計算時，這對微型微芯片來說是一個大問題。

每個微芯片內都有數百億個硅晶體管，它們引導電子進出存儲單元，將數據位編碼為 1 和 0，這是計算機的二進制語言。電流在這些辛勤工作的晶體管之間流動，這些電流不可避免地會產生熱量。

熱量自然地從熱的物體流向冷的物體。但是熱流在硅中變得棘手。

在其自然形式中，硅由三種不同的同位素組成——一種化學元素的形式，其原子核中的質子數量相同，但中子數量不同（因此質量不同）。

大約 92% 的硅由同位素硅 28 組成，它有 14 個質子和 14 個中子；大約 5% 是硅 29，重量為 14 個質子和 15 個中子；合著者 Joel Ager 解釋說，只有 3% 是硅 30，它是一種相對重量級的物質，有 14 個質子和 16 個中子，他擁有伯克利實驗室材料科學部的高級科學家和加州大學伯克利分校材料科學與工程的兼職教授頭銜。

作為攜帶熱量的原子振動波聲子，它們穿過硅的晶體結構，當它們碰到硅 29 或硅 30 時，它們的方向會發生變化，它們的不同原子質量會“混淆”聲子，從而減慢它們的速度。

“聲子最終得到了這個想法，并找到了通往冷端以冷卻硅材料的方式，但這種間接路徑會導致廢熱積聚，這反過來也會降低你的計算機速度，”Ager 說。

邁向更快、更密集的微電子學

幾十年來，研究人員推測，由純硅 28 制成的芯片將克服硅的熱導率限制，從而提高更小、更密集的微電子器件的處理速度。

但是，將硅提純成單一同位素需要高強度的能量，很少有設施可以提供——甚至更少的設施專門制造市場可用的同位素。

幸運的是，2000 年代初期的一個國際項目使 Ager 和領先的半導體材料專家 Eugene Haller 能夠從前蘇聯時代的同位素制造廠采購四氟化硅氣體——同位素純化硅的起始材料。

這導致了一系列開創性的實驗，包括 2006 年發表在《自然》雜志上的一項研究，其中 Ager 和 Haller 將硅 28 制成單晶，他們用單晶來證明量子存儲器將信息存儲為量子比特或量子比特，數據單元同時存儲為電子自旋中的一和零。

隨后，用 Ager 和 Haller 的硅同位素材料制成的半導體薄膜和單晶被證明具有比天然硅高 10% 的導熱率——這是一種改進，但從計算機行業的角度來看，可能不足以證明花費 1000 美元是合理的。用同位素純硅制造計算機要多出幾倍的錢。

但阿格知道，硅同位素材料在量子計算之外具有重要的科學意義。所以他把剩下的東西放在伯克利實驗室的一個安全地方，以防其他科學家可能需要它，因為很少有人有資源制造甚至購買同位素純硅。

吳指出，該團隊下一步計劃將他們的發現帶到下一步：通過研究如何“控制，而不僅僅是測量這些材料中的熱傳導”。

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來源：賢集網
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