Neue anisotrope Folie könnte Transistoren enger zusammenpacken

Oct 28, 2023

Wenn Transistoren eng aneinander gepackt werden, entsteht das Problem, dass die Bauteile durch Hitze durchbrennen. Jetzt haben Wissenschaftler ein künstliches Material entwickelt, das Wärme in eine Richtung leitet und gleichzeitig die Wärme in andere Richtungen von der Umgebung isoliert hält. Die Forschung könnte eines Tages dazu beitragen, dass Mikrochips leistungsfähiger werden, ohne dass sie durch Überhitzung kaputt gehen.

Da die Elektronik immer weiter miniaturisiert wird, werden in einem bestimmten Raum größere Mengen Wärme erzeugt, was die Wärmekontrolle zu einer zentralen Herausforderung im Elektronikdesign macht. „Wenn Ihr Computer oder Laptop überhitzt, kann das ein Sicherheitsproblem sein“, sagt Studienleiter Shi En Kim, ein Molekularingenieur an der University of Chicago.

Zu den jüngsten Fortschritten im Wärmemanagement gehören sogenannte anisotrope Wärmeleiter. In diesen Materialien fließt Wärme in eine Richtung schneller als in andere.

Eine Reihe natürlicher kristalliner Strukturen sind starke anisotrope Wärmeleiter – bei Graphit beispielsweise wird Wärme etwa 340-mal schneller entlang seiner schnellen Achse geleitet als an seiner langsamen. Allerdings lassen sich diese natürlichen Materialien oft nur schwer in großtechnischen Herstellungstechniken verwenden und verfügen möglicherweise nicht über die für Geräte wünschenswerten elektrischen oder optischen Eigenschaften. Im Gegensatz dazu sind die meisten künstlich strukturierten Materialien schlechte anisotrope Wärmeleiter, oft mit einem Schnell-Langsam-Wärmeflussverhältnis von weniger als 20 bei Raumtemperatur.

Jetzt haben Wissenschaftler ein künstliches Material mit einem schnellen-langsamen Wärmeflussverhältnis von bis zu etwa 880 bei Raumtemperatur geschaffen, einem der höchsten jemals gemeldeten. Sie erläuterten ihre Ergebnisse in der Ausgabe der Zeitschrift Nature vom 30. September.

Das Geheimnis liegt in der Verwendung von Materialien, die aus gestapelten Filmen atomar dünner Schichten bestehen – in diesem Fall aus Molybdändisulfid. Die Schichten werden durch schwache elektrische Kräfte, sogenannte Van-der-Waals-Wechselwirkungen, zusammengehalten, dieselben Kräfte, die Klebebänder oft klebrig machen. Weitere geschichtete Van-der-Waals-Materialien sind Graphit und sogenannte Übergangsmetalldichalkogenide.

Das Molybdändisulfid bündelt die Wärme effizient in zwei Dimensionen, nicht jedoch in der dritten. Der Schlüssel zum Isolationseffekt liegt darin, wie die Gitter benachbarter Filme relativ zueinander gedreht werden. (Stellen Sie sich einen Stapel Schachbretter vor, bei dem jedes Brett so gedreht ist, dass keines seiner Felder mit denen seiner Nachbarn übereinstimmt.)

In diesen Stapeln sind die Hauptwärmeträger Phononen, Quasiteilchen, die aus Schwingungen in den Gitterstrukturen der Kristalle bestehen. Wenn benachbarte Molybdänsulfidfilme so gestapelt werden, dass ihre Gitter ausgerichtet sind, fließen Phononen problemlos in alle Richtungen, wenn auch effizienter innerhalb der Schichten. Wenn diese Gitter jedoch relativ zueinander gedreht werden, fließen Phononen nur innerhalb von Schichten effizient.

Als die Wissenschaftler diese Stapel verwendeten, um Goldelektroden mit einer Höhe von nur 15 Nanometern und einer Breite von 100 Nanometern zu beschichten, stellten sie fest, dass die Elektroden mehr Strom transportieren konnten, ohne zu überhitzen, und verhinderten, dass die Wärme die Geräteoberfläche erreichte. „Wir glauben, dass unser Material für das Wärmemanagement in der Elektronik nützlich sein kann“, sagt Kim.

Kim weist darauf hin, dass sie sich für das Experimentieren mit Molybdändisulfid entschieden haben, weil sie zuvor die Mittel entwickelt hatten, um große Filme aus dem Material wachsen zu lassen. Im Prinzip könnten Stapel aus anderen atomar dünnen Materialien wie Graphen genauso gut oder besser funktionieren. Zukünftige Forschungen könnten auch untersuchen, wie sogenannte Heterostrukturen aus Stapeln von zwei oder mehr unterschiedlichen Materialien funktionieren könnten, stellt sie fest.

Kim warnt vor ihren Experimenten: „Unsere Filme werden von Hand gestapelt, was keine sehr skalierbare Methode zur Herstellung sehr dicker Filme ist. Irgendwann könnten diese Materialien praktische Anwendungen haben, aber es müssen Dinge ausgearbeitet werden, um ihre Produktion skalierbar zu machen.“