Американские физики изготовили материал с рекордным коэффициентом тепловой анизотропии. Он состоит из монослоев сульфидов переходных металлов, наложенных друг на друга в стопки со случайной ориентацией доменов. Они доказали, что такой материал эффективно охлаждает и одновременно термоизолирует электроды. Исследование опубликовано в Nature.
Одна из главных проблем микроэлектроники, ограничивающих дальнейшую миниатюризацию, — это перегрев микросхем, поэтому крайне важно уметь отводить от них тепло. Помочь в этом могут материалы с анизотропной теплопроводностью. В таких материалах тепло передается с разной скоростью в зависимости от того, в каком направлении идет тепловой поток. Это свойство характеризуется с помощью коэффициента тепловой анизотропии ρ, который равен отношению теплопроводностей вдоль быстрой и медленной осей.
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.
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.
Марат Хамадеев