Tutkijat löysivät uuden menetelmän lämmönsiirtoon elektronisissa komponenteissa

Lämpövirran hallinta puolijohdemateriaaleissa on merkittävä haaste pyrittäessä kehittämään entistä pienempiä ja nopeampia tietokonesiruja, tehokkaita aurinkopaneeleita ja parempia lasereita ja biolääketieteellisiä laitteita. Optimoimalla mikrosirujen lämmönhallintaa niitä voidaan pakata tiiviimmin.

Kansainvälinen tutkijaryhmä, jossa on mukana Aalto-yliopiston tutkijoita, on ensimmäistä kertaa onnistunut säätämään hallitusti akustisten fononien energiaspektriä muuttamalla puolijohderakenteen mittasuhteet nanometriluokkaan. Akustiset fononit – eli kidehilan värähtelyiden joukko – ovat näennäishiukkasia, jotka osallistuvat materiaaleissa lämmönsiirtoon. Tuloksilla on merkittäviä vaikutuksia sähköisten komponenttien lämmönhallintaan.

Tutkijaryhmä käytti Suomessa galliumarsenidista valmistettuja puolijohdenanolankoja ja Brillouin-Mandelstam -sirontaspektroskopiaa tutkiakseen fononien liikettä kiteisissä nanorakenteissa.

”Pystymme hallitsemaan nanolankarakenteen mittoja tarkasti nanomittakaavassa yhdistämällä elektronisuihkulitografian ja puolijohteiden epitaktisen kasvatuksen. Tutkimuksessa käytetyt nanolangat olivat noin 80 nm halkaisijaltaan. Mittojen tarkka hallinta mahdollistaa fononien energiaspektrin muuttamisen”, väitöskirjaa Mikro- ja nanotekniikan laitoksella tekevä Joona-Pekko Kakko tarkentaa.

Fononien dispersion hallinta on olennaisen tärkeää pyrittäessä parantamaan nanomittakaavan komponenttien lämmönpoistoa, josta on tullut suurin este mahdollisuuksille pienentää niiden kokoa edelleen. Dispersiota voidaan hyödyntää myös pyrittäessä parantamaan termosähköisen tuotannon tehokkuutta. Tällöin lämmönjohtavuuden pienentäminen fononien avulla hyödyttää termosähköisiä laitteita, jotka tuottavat sähköä käyttämällä lämpötilaeroa puolijohteissa.

"Vuosien ajan ainoa ajateltavissa oleva menetelmä nanorakenteiden lämmönjohtavuuden muuttamiseen oli räätälöidä nanorakenteiden rajapintoja, jotka vaikuttavat akustisten fononien sirontaan. Osoitimme kokeellisesti, että akustisten fononien rajaaminen nanolangoissa muuttaa niiden nopeutta, mikä taas muuttaa niiden tapaa vuorovaikuttaa hiukkasten kanssa ja kykyä johtaa lämpöä. Tutkimuksemme luo uusia mahdollisuuksia pyrittäessä optimoimaan puolijohdemateriaalien lämmön- ja sähkönjohtamisominaisuuksia", kertoo tutkimusta johtanut professori Alexander Balandin.

Kalifornian Riverside-yliopiston professorin Alexander Balandinin sekä Aalto-yliopiston professorin Harri Lipsasen yhteistyönä tehty tutkimus on julkaistu torstaina 10. marraskuuta Nature Communications -lehdessä ilmestyneessä artikkelissa. Artikkelin otsikko on "Direct observation of confined acoustic phonon polarization branches in free-standing nanowires." Työ tehtiin osittain Aallon Energiatehokkuusohjelman Moppi-projektissa.

Linkki artikkeliin www.nature.com/articles/ncomms13400

Lisätietoa:
tohtorikoulutettava Joona-Pekko Kakko
joonapekko.kakko@aalto.fi

Professori Harri Lipsanen
harri.lipsanen@aalto.fi
puh 050 4339 740