Иллюстрация от S. E. Kim et al / Nature. Группа американских физиков недавно создала материал с абсолютно уникальным значением коэффициента тепловой анизотропии. Данный материал представляет собой структуру из монослоев сульфидов переходных металлов, расположенных в стопку со случайной ориентацией доменов. В исследовании ученые продемонстрировали эффективность данного материала в охлаждении электродов и одновременной термоизоляции. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature. Одна из ключевых проблем микроэлектроники, препятствующая дальнейшей миниатюризации, заключается в перегреве микросхем. Поэтому отведение тепла от них является задачей первостепенной важности. Материалы с выраженной анизотропной теплопроводностью способны решить эту проблему. В таких материалах скорость распространения тепла зависит от направления теплового потока. Это свойство количественно характеризуется коэффициентом тепловой анизотропии ρ, который представляет собой отношение теплопроводностей вдоль осей с максимальной и минимальной скоростью теплопередачи.
Тепловая анизотропия встречается у природных материалов, например, графита (ρ=340) или нитрида бора (ρ=90), однако они плохо поддаются масштабированию. Кроме того, не у всех природных материалов есть подходящие оптические или электрические свойства. Проблему могли бы решить синтетические материалы, но до недавнего времени физикам не удавалось синтезировать материалы с высоким (более 20) коэффициентом тепловой анизотропии при комнатной температуре.
Группа американских физиков при участии Пола Эрхарта (Paul Erhart) из Технического Университета Чалмерс, Швеция, смогла существенно изменить эту ситуацию. Они изготовили материалы на основе сульфидов переходных металлов (MoS2 и WS2), которые демонстрировали коэффициент тепловой анизотропии, примерно равный 900. Для этого они выращивали поликристаллические монослои с размером доменов около одного микрона, а затем собирали их в стопки в вакуумной среде без контроля ориентации. Такая сборка гарантировала случайную ориентацию решетки вдоль направления, перпендикулярного слоям, что и уменьшало теплопроводность.
Схематическое изображение мультислоя MoS2 со случайной ориентацией слоев. S. E. Kim et al / Nature
Для измерения этого эффекта физики использовали метод термоотражения во временной области. Они измеряли полное термосопротивление для образцов с разным числом слоев в перпендикулярном им направлении, помещая образец между алюминиевым и сапфировым интерфейсами. Термосопротивление линейно росло в зависимости от числа слоев, что позволило извлечь из этих данных перпендикулярную теплопроводность, которая оказалась равна 57 ± 3 милливатта на метр-кельвин для MoS2 и 41 ± 3 милливатта на метр-кельвин для WS2. Примечательно, что в отличие от случая объемных сульфидов переходных металлов, перпендикулярная теплопроводность почти не зависела от температуры, что подтверждает ее нефононный характер.
Следом ученые измерили продольную теплопроводность. Для этого они фокусировали лазерный луч в центр образца, подвешенного над полостью, диаметром пять микрон, при низком давлении, а затем измеряли смещение термочувствительного рамановского пика в зависимости от мощности лазера. Линейный характер этой зависимости позволил вычислить продольную теплопроводность мультислоя MoS2, которая составила 50 ± 6 ватт на метр-кельвин. Уменьшение этой величины с ростом температуры и с сокращением размера доменов свидетельствует о том, что тепло в этом случае переносится с помощью фононов.
Для проверки работоспособности такого материала для охлаждения электродов, авторы нанесли на кремниевую подложку два золотых электрода шириной 100 нанометров, один из которых был покрыт 10-нанометровой пленкой мультислоя MoS2. При пропускании слишком большого тока через тонкие электроды, они нагреваются настолько сильно, что в них начинают происходить эффекты электромиграции, которые приводят к их деградации, либо разрушению. Эксперимент показал, что созданный физиками материал обеспечивает хороший теплоотвод, что позволяет покрытому им электроду выдерживать в среднем на 50 процентов большие токи, чем непокрытому. При этом в направлении, перпендикулярном плоскости, материал термоизолирует электрод.
Авторы предполагают, что предложенным ими способом можно достичь и больших коэффициентов тепловой анизотропии, если вместо сульфидов переходных металлов использовать вещества, с большей продольной теплопроводностью, например, графен. Кроме того, они ожидают, что точный контроль ориентации доменов соседних слоев может обнаружить новые полезные эффекты.
Поворот слоев относительно друг друга позволяет обнаруживать новые свойства у старых материалов. Мы уже рассказывали, как такая процедура изменила магнитные и сверхпроводящие свойства графена.
Автор: Марат Хамадеев
Источник: https://nplus1.ru/
