2018-09-13 10:00:02
纳米夹层改善热传递 防止纳米电子器件过热

芝加哥工程学院伊利诺伊大学研究人员在《高级材料杂志》上发表的一项新研究表明,将纳米电子器件中使用的二维材料夹在三维硅基底和超薄氧化铝层之间可以显著降低因过热而导致元件失效的风险。

当今许多硅基电子元件包含二维材料,如石墨烯。将像石墨烯这样的二维材料——由单个原子厚的碳原子层组成——加入到这些组件中,可以使它们比用传统的三维材料制造的组件小几个数量级。此外,二维材料还具有其他独特的功能。但是具有二维材料的纳米电子元件有致命弱点——它们容易过热。这是因为从二维材料到硅基材料的导热性差。

UIC工程学院机械和工业工程副教授Amin Salehi - Khojin表示:“在纳米电子领域,二维材料散热不良一直是充分发挥其潜力的瓶颈,无法在保持功能的同时制造越来越小的电子产品。”

二维材料不能有效地将热量传递给硅的原因之一是二维材料和晶体管等元件中的硅之间的相互作用相当弱。

UIC工程学院研究生、论文的第一作者Zahra Hemmat解释道:“二维材料和硅衬底之间的结合不是很牢固,所以当二维材料中热量积聚时,会产生热点,导致过热和器件故障。”

为了增强二维材料和硅基之间的连接,以提高二维材料到硅中的热传导,工程师们已经尝试在二维层的顶部添加一层额外的超薄材料层——实际上是以硅基和超薄材料为“面包”创建了一个“纳米夹层”。"

Salehi - Khojin说:“通过在二维材料的顶部添加另一个‘封装’层,我们已经能够将二维材料和硅基之间的能量传递增加一倍。”
salehi - Khojin和他的同事创建了一个实验晶体管,使用氧化硅作为基础,碳化物作为二维材料,氧化铝作为封装材料。在室温下,研究人员发现,添加氧化铝层时,从碳化物到硅基的热传导率是不添加氧化铝层时的两倍。

Salehi - Khojin说:“虽然我们的晶体管是一个实验模型,但它证明了通过在这些二维纳米电子器件中添加额外的封装层,我们可以显著增加到硅基的热传递,这将通过降低这些元件烧毁的可能性,大大有助于保持这些元件的功能。”“我们接下来的步骤将包括测试不同的封装层,看看我们能否进一步改善热传递。"

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