这种新材料，或将改变传统芯片

该设备——一种超薄硅纳米线——可以实现更小、更快的微电子器件，其传热效率超过当前技术。由有效散热的微芯片驱动的电子设备反过来会消耗更少的能量——这一改进有助于减少燃烧导致全球变暖的富含碳的化石燃料产生的能量消耗。

“通过克服硅在导热能力方面的自然限制，我们的发现解决了微芯片工程的一个障碍，”领导《Physical Review Letters》研究报告新设备的科学家吴俊乔（音译）说。吴是加州大学伯克利分校材料科学部的教授科学家和材料科学与工程教授。


热量通过硅的缓慢流动

我们的电子产品价格相对便宜，因为硅——计算机芯片的首选材料——既便宜又丰富。但是，尽管硅是一种良好的电导体，但当它被缩小到非常小的尺寸时，它就不是一种良好的热导体——当涉及到快速计算时，这对微型微芯片来说是一个大问题。

在每个微芯片中都有数百亿个硅晶体管，它们引导电子进出存储单元，将数据位编码为 1 和 0，即计算机的二进制语言。电流在这些辛勤工作的晶体管之间流动，这些电流不可避免地会产生热量。


热量自然地从热的物体流向冷的物体。但是热流在硅中变得棘手。

在其自然形式中，硅由三种不同的同位素组成——一种化学元素的形式，其原子核中的质子数量相同，但中子数量不同（因此质量不同）。

大约 92% 的硅由同位素硅 28 组成，它有 14 个质子和 14 个中子；大约 5% 是硅 29，重量为 14 个质子和 15 个中子；合著者Joel Ager解释说，只有 3% 是硅 30，它是一种相对重量级的物质，有 14 个质子和 16 个中子，他拥有伯克利实验室材料科学部的高级科学家和加州大学伯克利分校材料科学与工程的兼职教授头衔。

研发智能屋顶涂料的研究团队，随着表面温度的升高，自动从低热发射率（保留热量）切换到高热发射率（释放热量）拍摄于劳伦斯伯克利国家实验室，加利福尼亚州伯克利，2021 年 11 月 5 日。

作为携带热量的原子振动波声子（phonons），它们穿过硅的晶体结构，当它们撞到硅 29 或硅 30 时，它们的方向会发生变化，它们的不同原子质量会“混淆”声子，从而减慢它们的速度。

“声子最终得到了这个想法，并找到了通往冷端以冷却硅材料的方式，”但这种间接路径会导致废热积聚，这反过来也会降低你的计算机速度，Ager 说。


迈向更快、更密集的微电子学的一大步

几十年来，研究人员推测，由纯硅 28 制成的芯片将克服硅的热导率限制，从而提高更小、更密集的微电子器件的处理速度。

但是，将硅提纯成单一同位素需要高强度的能量，很少有设施可以提供 - 更不用说专门制造市场就绪的同位素，Ager 说。

幸运的是，2000 年代初期的一个国际项目使 Ager 和领先的半导体材料专家 Eugene Haller 能够从前苏联时代的同位素制造厂采购四氟化硅气体——同位素纯化硅的起始材料。

Haller 于 1984 年创立了伯克利实验室的 DOE 资助的电子材料计划，曾任伯克利实验室材料科学部的资深教授科学家和加州大学伯克利分校的材料科学与矿物工程教授。他于2018年去世。

这引领了一系列开创性的实验，包括 2006 年发表在《自然》杂志上的一项研究，其中 Ager 和 Haller 将硅 28 制成单晶，他们用它来证明量子存储器将信息存储为量子比特或量子比特，数据单元同时存储为电子自旋中的一和零。

随后，用 Ager 和 Haller 的硅同位素材料制成的半导体薄膜和单晶被证明具有比天然硅高 10% 的导热率——这是一种改进，但从计算机行业的角度来看，可能不足以证明花费 1000 美元是合理的。Ager 说，用同位素纯硅制造计算机要多出几倍的钱。

但Ager 知道，硅同位素材料在量子计算之外具有重要的科学意义。所以他把剩下的东西放在伯克利实验室的一个安全地方，以防其他科学家可能需要它，因为很少有人有资源制造甚至购买同位素纯硅，他推断。


使用硅 28 走向更冷技术的道路

大约三年前，Wu 和他的研究生 Penghong Ci 试图想出新的方法来提高硅芯片的传热率。

制造更高效晶体管的一种策略涉及使用一种称为环栅场效应晶体管的纳米线。吴解释说，在这些设备中，硅纳米线被堆叠以导电，同时产生热量。“如果产生的热量没有迅速排出，该设备将停止工作，类似于没有疏散地图的高层建筑中的火警警报，”他说。

但他解释说，硅纳米线的热传输更差，因为它们粗糙的表面——化学加工留下的疤痕——会更加分散或“混淆”声子。

图片由硅纳米线桥接的两个悬浮焊盘组成的微型器件的光学显微镜图像。（图片来源：Junqiao Wu/伯克利实验室）

“然后有一天，我们想知道，'如果我们用同位素纯硅 28 制造纳米线会发生什么？'”吴说。

硅同位素不是一个可以在公开市场上轻易买到的东西，而且有消息称，Ager 在伯克利实验室仍然储存了一些硅同位素晶体——数量不多，但仍然足以分享“如果有人对如何使用它，”Ager 说。“而俊乔的新研究就是这样一个例子。”


纳米测试的惊人大发现

“我们真的很幸运，Joel碰巧拥有可用于研究的富含同位素的硅材料，”吴说。

使用 Ager 的硅同位素材料，Wu 团队测试了大块 1 毫米大小的硅 28 晶体与天然硅的热导率——他们的实验再次证实了 Ager 和他的合作者几年前发现的东西——大块硅 28 导热仅比天然硅好 10%。

他们现在进行纳米测试，使用一种称为化学蚀刻的技术，Ci 制造了直径仅为 90 纳米（十亿分之一米）的天然硅和硅 28 纳米线——大约比一根人类头发细一千倍。

为了测量热导率，Ci 将每根纳米线悬挂在两个配备铂电极和温度计的微型加热器垫之间，然后向电极施加电流以在一个垫上产生热量，然后通过纳米线流向另一个垫。

“我们预计只会看到使用同位素纯材料进行纳米线热传导的增量收益——大约 20%，”Wu 说。

但Ci的测量结果让他们大吃一惊。Si-28 纳米线的导热性能不是 10% 甚至 20%，而是比具有相同直径和表面粗糙度的天然硅纳米线好150% 。

吴说，这违背了他们期望看到的一切。纳米线的粗糙表面通常会减慢声子的速度。那么到底发生了什么？

莱斯大学的 Matthew R. Jones 和 Muhua Sun 拍摄的材料的高分辨率 TEM（透射电子显微镜）图像揭示了第一个线索：硅 28 纳米线表面上的玻璃状二氧化硅层。

马萨诸塞大学阿默斯特分校由纳米线导热性专家 Zlatan Aksamija 领导的计算模拟实验表明，同位素“缺陷”——硅 29 和硅 30——的缺失阻止了声子逃逸到表面，二氧化硅层会大大减慢声子的速度。这反过来又使声子在硅 28 纳米线的“核心”内沿着热流方向保持在轨道上——因此更少“混淆”。（Aksamija 目前是犹他大学材料科学与工程系的副教授。）

“这真是出乎意料。发现两种独立的声子阻挡机制——表面与同位素，以前被认为是相互独立的——现在协同工作，使我们在热传导方面受益，这非常令人惊讶，但也非常令人欣慰，”吴说。

“Junqiao和团队发现了一种新的物理现象，”Ager说。“这是好奇心驱动的科学的真正胜利。这很令人兴奋。”

吴说，该团队下一步计划将他们的发现带到下一步：通过研究如何“控制，而不仅仅是测量这些材料中的热传导”。

莱斯大学的研究人员；马萨诸塞大学阿默斯特分校；深圳大学和清华大学参与了这项研究。


这项工作得到了美国能源部科学办公室的支持。