Современная электроника становится всё меньше и мощнее, и отвод тепла превращается в серьёзную инженерную проблему. Исследователи из Корнеллского университета под руководством Чжитин Тянь (Zhiting Tian) предложили метод расчёта, который предсказывает, как внешнее электрическое поле влияет на теплопроводность полупроводниковых материалов. Работа опубликована в журнале npj Computational Materials.

В центре внимания - нитрид алюминия, перспективный материал для электроники нового поколения. Это широкозонный полупроводник: он способен выдерживать значительно более сильные электрические поля, чем обычные материалы. Такие свойства позволяют создавать компактные и мощные устройства, включая высоковольтные системы и радиочастотную технику большой мощности. Однако рост мощности означает и больше тепла, что может снижать эффективность, надёжность и срок службы приборов.

Тепло в кристалле переносят колебания атомов - фононы. Когда фононы движутся, они сталкиваются и рассеиваются, и от этого зависит, насколько хорошо материал проводит тепло. Исследователи предположили, что электрическое поле может перераспределять электроны в кристалле, меняя силы взаимодействия между атомами и, как следствие, поведение фононов.

Для проверки команда объединила два вычислительных подхода: теорию функционала плотности (DFT), описывающую электронную структуру материала, и метод функций Грина неравновесного состояния (NEGF). Такой комбинированный метод DFT-NEGF ранее применяли для изучения переноса электронов, но не для расчёта теплопроводности, обусловленной фононами, в присутствии электрического поля.

Моделируя кристалл нитрида алюминия между электродами, учёные прикладывали поле в противоположных направлениях. Расчёты показали: в зависимости от направления поля относительно собственной полярности кристалла одни атомные связи усиливаются, другие ослабевают, что отражается на переносе тепла. Без поля теплопроводность поперёк плёнки составляла примерно 334 Вт/(м·К). При поле в одном направлении она возрастала, при противоположном - снижалась.

Это означает, что инженерам, возможно, придётся учитывать изменение теплопроводности во время работы устройства, а не считать её постоянной. Более того, ориентацию полупроводниковой плёнки можно выбирать так, чтобы рабочее поле помогало отводить тепло. "Мы могли бы намеренно выращивать плёнку в направлении, где электрическое поле благоприятствует рассеянию тепла", - пояснила Тянь.

В дополнение к расчётам группа провела эксперименты с гексагональным нитридом бора - широкозонным материалом, используемым в качестве диэлектрика в перспективных приборах. Тонкие монокристаллические чешуйки размещали между металлическими электродами, прикладывали сильные поля и измеряли тепловое сопротивление лазерным методом частотно-доменной терморефлектометрии. В одном из устройств тепловое сопротивление снижалось до 25% в повторных тестах. Изменения нарастали постепенно, за десятки минут - часы, и частично восстанавливались. Обычные электрические измерения этих изменений не выявляли. Результаты опубликованы в Nano Letters.

Авторы подчёркивают: пока это лабораторные исследования, а не готовые устройства. Тем не менее они дают экспериментальное подтверждение того, что в широкозонных материалах перенос тепла может заметно меняться под действием электрического поля. В дальнейшем это может помочь создавать электронику с более эффективным охлаждением.

Источник: Tech Xplore