Исследователи из Японии сообщают, что периодические поверхностные структуры, созданные с помощью фемтосекундных лазеров, могут использоваться для управления теплопроводностью в твёрдых тонких плёнках. Их инновационный метод, основанный на высокоскоростной лазерной абляции, позволяет создавать параллельные наноразмерные канавки с беспрецедентной пропускной способностью, которая в 1000 раз выше, чем у традиционных подходов. Это стратегически изменяет рассеяние фононов в материале.
Масштабируемый подход
Такой масштабируемый и готовый к использованию в полупроводниковой промышленности подход может позволить массово производить структуры для тепловой инженерии, сохраняя при этом лабораторную точность.
Контроль теплопереноса
Управление теплопереносом является одной из наиболее актуальных задач на переднем крае электроники и квантовых информационных технологий. Поскольку устройства уменьшаются в размерах, а их плотность мощности растёт, управление интенсивным теплом, которое они генерируют, имеет важное значение для производительности и срока службы.
Одной из перспективных стратегий достижения этого является фононная инженерия, в которой специально разработанные фононными наноструктуры используются для манипулирования и рассеяния фононов — квазичастиц вибрационной энергии, проводящих тепло во многих твёрдых телах.
Сложности промышленного производства
Несмотря на потенциал фононных наноструктур для таких применений, как наномасштабная теплоизоляция и преобразование энергии, их производство в промышленных масштабах остаётся довольно сложным.
Текущие методы изготовления с высоким разрешением, такие как электронная литография (ЭБЛ), по своей сути медленны, сложны и дороги, что делает их непригодными для массового производства.
Новая техника
Чтобы решить эту проблему, исследовательская группа под руководством доцента Бьюнги Кима и профессора Казуёси Фушинобу из Института науки Токио (Science Tokyo), Япония, в сотрудничестве с профессором Масахиро Номурой из Института промышленных наук Токийского университета предложила новый метод создания фононных наноструктур.
Их статья, опубликованная в журнале Advanced Functional Materials, демонстрирует, как их метод может стать ключом к достижению лабораторной точности и промышленной пропускной способности одновременно.
Техника использования фемтосекундных лазеров
Техника использует мощные высокоскоростные лазеры для вырезания маленьких параллельных канавок на тонких плёнках кремния/диоксида кремния посредством процесса, известного как лазерная абляция.
Параллельные канавки изготавливаются с периодичностью и толщиной дна, сравнимой со средним расстоянием, которое проходят фононы. Эти высокооднородные наноструктуры, называемые фемтосекундными лазерно-индуцированными периодическими поверхностными структурами (fs-LIPSS), в сочетании с традиционной техникой сухого травления для настройки толщины кремния значительно снижают теплопроводность материала, как показано с помощью термоотражательных измерений.
Исследователи провели серию численных симуляций, которые подтвердили, что наблюдаемые изменения теплопроводности происходят главным образом из-за того, что периодические наноструктуры ограничивают среднее расстояние прохождения фононов.
Примечательно, что этот новый подход к изготовлению обеспечивает производительность, не имеющую аналогов в данной области. Процесс fs-LIPSS оказался более чем в 1000 раз быстрее, чем традиционная однолучевая ЭБЛ, при сохранении требуемого наномасштабного разрешения.
«Представленные результаты представляют собой важную веху на пути к переводу фундаментальных научных достижений в реальные приложения», — подчёркивает Ким.
«Мы ожидаем, что предложенный метод ускорит разработку передовых технологий в областях, где управление температурным режимом имеет решающее значение, включая высокопроизводительные вычисления, преобразование энергии на кристалле и квантовые устройства».
В целом, эта работа сигнализирует о сдвиге в сторону практического внедрения наномасштабного контроля температуры. Поскольку техника fs-LIPSS является процессом без маски и без использования резистов, она по своей сути совместима с КМОП и обладает высокой масштабируемостью до уровня пластин. Такое сочетание скорости и совместимости может сделать фононную инженерию жизнеспособной для массового производства.
«Наше исследование представляет fs-LIPSS как универсальную платформу для управления температурой на больших площадях и фононной инженерии, а их функциональность может быть объединена с оптическими и электронными свойствами, тем самым способствуя созданию многофункциональной платформы», — заключает Ким.
Эта работа может открыть новые возможности для разработки высокопроизводительных и энергоэффективных электронных и квантовых устройств.
Предоставлено:
[Institute of Science Tokyo](https://phys.org/partners/institute-of-science-tokyo/)