Материалы на основе алмаза «украсят» будущее электроники

Кроме того, что бриллианты – лучшие друзья девушек, они еще и очень нравятся ученым-материаловедам, которые работают над тем, чтобы улучшить технические характеристики электронных устройств

Два новых исследования, проводимые в американской Аргонской национальной лаборатории министерства энергетики, открыли материаловедам новые способы использования неисследованных свойств нанокристальных алмазных тонких пленок. Свойства алмазных пленок относительно хорошо изучены, тем не менее новое открытие может значительно улучшить эксплуатационные показатели определенных типов интегральных схем, оптимизировав их термобаланс.

В течение многих десятилетий инженеры стремились к разработке более эффективных электронных устройств, уменьшая размеры их составляющих. Однако исследователи достигли так называемого «критического теплового момента», сказал эксперт в области нанотехнологий Аргонской национальной лаборатории Анируда Сумант.

В точке, где возникает критический тепловой момент, лишнее тепло вызывает нежелательные эффекты, которые существенно влияют на работу устройства, снижая его эффективность. «Если мы не придумаем, как решить проблему нагревания нашей электроники, этот критический момент серьезно затормозит все возможные продвижения - этот аспект буквально не дает нам сдвинуться с места», - объяснил Сумант.

Привлекательные для ученых термосвойства алмазных тонких пленок натолкнули их на мысль каким-то образом использовать этот материал в качестве теплоотвода, который можно было бы совмещать с многими различными полупроводниками. Однако температуры нанесения алмазных пленок, как правило, превышают 800 градусов Цельсия (примерно 1500 градусов по Фаренгейту), что ограничивает осуществление и диапазон применения такого подхода.

«Наша цель в том, чтобы придумать, как производить алмазные пленки при наиболее низких температурах, насколько это возможно физически. Если получится вырастить пленку при 400 градусах по Цельсию, это позволит объединить этот материал с целым диапазоном других полупроводниковых материалов», - сказал Сумант.

При использовании новой техники, которая изменила процесс нанесения алмазных пленок, Сумант и его коллеги в Аргонском центре наноразмерных материалов смогли уменьшить температуру (достигнув почти 400 градусов Цельсия) и отрегулировать тепловые свойства алмазных фильмов, варьируя размеры кристаллов. Это дает возможность соединять алмаз с двумя важными для электроники материалами: графеном и нитридом галлия.

Сумант говорит, алмаз имеет очень хорошие свойства теплопроводности при отсутствии электропроводимости; в сравнении с кремнием или оксидом кремния, которые традиционно использовались для изготовления устройств с применением графена, алмаз позволит значительно оптимизировать подобные приборы. Благодаря высокой теплопроводности, устройства из графена, изготовленные с использованием алмазной пленки, смогут выдерживать значительно более высокие плотности тока.

Два новых исследования, проводимых в Аргонской национальной лаборатории, открыли новые возможности использования ранее неизвестных свойств нанокристальных алмазных тонких пленок (фото sas.upenn.edu)

В другом исследовании Сумант использовал такую же технологию, чтобы объединить тонкие алмазные пленки с нитридом галлия, который используется преимущественно в устройствах со светоизлучающими диодами (LED). После нанесения 300-нанометровой алмазной пленки на подложку из нитрида галлия Сумант и его коллеги заметили значительное улучшение тепловых характеристик. Поскольку различие всего в несколько градусов в интегральной схеме может обеспечить значительное изменение в работе устройства, исследователь назвал результат «замечательным».

«Связь между этими экспериментами в том, что мы находим новые способы эффективнее решать проблему термического критического момента, используя меньше энергии, которая имеет ключевое значение, - сказал Сумант. - Эти процессы крайне важны для промышленности, поскольку таким образом мы ищем возможности преодолеть обычные границы в области микроэлектронных устройств и перейти к следующему поколению электроники».

Результаты двух исследований опубликованы в издании Nano Letters and Advanced Functional Materials. Исследования проводились в сотрудничестве с профессором Александром Баландином из Калифорнийского университета Риверсайда и его аспирантами Джи Ю, Гуанксайонгом Лиу и доктором Вивеком Гоялом.

Финансирование для исследования, проводимого в Аргонском центре наноразмерных материалов, было обеспечено энергетической программой Basic Energy Sciences американского министерства энергетики.