Una nueva película anisotrópica podría empaquetar los transistores más juntos

Oct 28, 2023

Empaquetar los transistores muy juntos plantea el problema de que los dispositivos se quemen por calor. Ahora los científicos han desarrollado un material artificial que es uno de los mejores que jamás haya existido en conducir el calor en una dirección mientras lo mantiene aislado del entorno en otras direcciones. La investigación podría algún día ayudar a que los microchips se vuelvan más potentes sin romperse por el sobrecalentamiento.

A medida que la electrónica continúa miniaturizándose, se producen mayores cantidades de calor en un espacio determinado, lo que hace que el control del calor sea un desafío clave en el diseño electrónico. "Si su computadora o computadora portátil se sobrecalienta, puede ser un problema de seguridad", dice el autor principal del estudio, Shi En Kim, ingeniero molecular de la Universidad de Chicago.

Los avances recientes en la gestión del calor incluyen los llamados conductores térmicos anisotrópicos. En estos materiales, el calor fluye más rápidamente en una dirección que en otras.

Varias estructuras cristalinas naturales son fuertes conductores térmicos anisotrópicos; con el grafito, por ejemplo, el calor se canaliza aproximadamente 340 veces más rápido hacia su eje rápido que hacia su eje lento. Sin embargo, estos materiales naturales suelen ser difíciles de utilizar en técnicas de fabricación a gran escala y pueden carecer de los tipos de propiedades eléctricas u ópticas deseables para los dispositivos. Por el contrario, la mayoría de los materiales estructurados artificialmente son malos conductores térmicos anisotrópicos, a menudo con relaciones de flujo de calor rápido-lento inferiores a 20 a temperatura ambiente.

Ahora los científicos han creado un material artificial con una relación de flujo de calor rápido-lento de hasta aproximadamente 880 a temperatura ambiente, una de las más altas jamás registradas. Detallaron sus hallazgos en la edición del 30 de septiembre de la revista Nature.

El secreto está en utilizar materiales que consisten en películas apiladas de capas atómicamente delgadas, en este caso, de disulfuro de molibdeno. Las capas se mantienen unidas mediante fuerzas eléctricas débiles conocidas como interacciones de van der Waals, las mismas fuerzas que a menudo hacen que las cintas adhesivas se vuelvan pegajosas. Otros materiales estratificados de Van der Waals incluyen el grafito y los llamados dicalcogenuros de metales de transición.

Las pilas de disulfuro de molibdeno canalizan el calor de manera eficiente en dos dimensiones, pero no en la tercera. La clave detrás del efecto aislante es cómo las redes de películas adyacentes giran entre sí. (Imagínese una pila de tableros de ajedrez, con cada tablero girado de manera que ninguno de sus cuadrados se alinee con los de sus vecinos).

En estas pilas, los principales portadores de calor son los fonones, cuasipartículas que consisten en vibraciones en las estructuras reticulares de los cristales. Cuando se apilan películas adyacentes de sulfuro de molibdeno de manera que sus redes estén alineadas, los fonones fluyen fácilmente en todas direcciones, aunque de manera más eficiente dentro de las capas. Sin embargo, cuando estas redes giran entre sí, los fonones sólo fluyen eficientemente dentro de las capas.

Cuando los científicos utilizaron estas pilas para recubrir electrodos de oro de sólo 15 nanómetros de alto y 100 nanómetros de ancho, descubrieron que los electrodos podían transportar más corriente sin sobrecalentarse y bloquear el calor para que no llegara a la superficie del dispositivo. "Creemos que nuestro material puede ser útil para la gestión térmica en la electrónica", afirma Kim.

Kim señala que eligieron experimentar con disulfuro de molibdeno porque previamente desarrollaron los medios para hacer crecer grandes películas del material. En principio, las pilas hechas de otros materiales atómicamente delgados, como el grafeno, podrían funcionar igual o mejor. Investigaciones futuras también podrían investigar cómo podrían funcionar las llamadas heteroestructuras hechas de pilas de dos o más materiales diferentes, señala.

Kim advierte que para sus experimentos, "nuestras películas se apilan a mano, lo que no es una forma muy escalable de hacer películas muy gruesas. Con el tiempo, estos materiales podrían tener aplicaciones prácticas, pero es necesario resolver algunas cosas para que su producción sea escalable".