新しい異方性フィルムはトランジスタをより密に詰めることができる

Oct 28, 2023

トランジスタを互いに近づけて梱包すると、デバイスが熱で焼けるという問題が発生します。 現在、科学者たちは、熱を一方向に伝導し、他の方向への熱を周囲から遮断するという史上最高の人工材料の 1 つを開発しました。 この研究は、いつかマイクロチップが過熱から壊れることなくより強力に成長するのに役立つかもしれない。

電子機器の小型化が進むにつれて、特定の空間でより多くの熱が発生するため、熱制御が電子設計における重要な課題となっています。 「コンピュータやラップトップが過熱すると、安全上の問題になる可能性があります」と、研究主著者でシカゴ大学の分子工学者であるシー・エン・キム氏は言う。

熱管理における最近の進歩には、いわゆる異方性熱伝導体が含まれます。 これらの材料では、熱は他の方向よりも一方向に速く流れます。

多くの天然結晶構造は強力な異方性熱伝導体であり、たとえばグラファイトの場合、熱は遅軸よりも速軸に約 340 倍速く伝わります。 しかし、これらの天然材料は大規模な製造技術で使用することが困難であることが多く、デバイスに望ましい種類の電気的または光学的特性が欠けている可能性があります。 対照的に、人工的に構造化されたほとんどの材料は異方性熱伝導性に乏しく、多くの場合、室温での速熱流量比と遅熱流量比が 20 未満です。

今回、科学者たちは、室温で最大約 880 という、これまでに報告された中で最高の速熱流と遅熱流の比を持つ人工材料を作成しました。 彼らはその発見の詳細を『Nature』誌の9月30日号に掲載した。

その秘密は、原子的に薄い層の積層膜からなる材料 (この場合は二硫化モリブデン) を使用していることです。 これらの層は、ファンデルワールス相互作用として知られる弱い電気力によって一緒に保持されます。この力は、粘着テープを粘着させることが多いのと同じ力です。 他の層状ファンデルワールス材料には、グラファイトやいわゆる遷移金属ジカルコゲニドなどがあります。

二硫化モリブデンは、ファンネル熱を 2 次元で効率的に蓄積しますが、3 次元では蓄積しません。 断熱効果の背後にある鍵は、隣接するフィルムの格子が相互にどのように回転するかです。 (チェッカーボードの積み重ねを想像してください。各ボードは、どの正方形も隣接する正方形と重ならないように回転されています。)

これらの積層体では、主な熱伝達体はフォノン、つまり結晶の格子構造の振動からなる準粒子です。 隣接する硫化モリブデンの膜が格子が揃うように積み重ねられると、層内ではより効率的にフォノンが全方向に容易に流れます。 ただし、これらの格子が相互に回転すると、フォノンは層内でのみ効率的に流れます。

科学者らがこれらのスタックを使用して高さわずか 15 ナノメートル、幅 100 ナノメートルの金電極をコーティングしたところ、電極が過熱することなくより多くの電流を流すことができ、熱がデバイス表面に到達するのをブロックできることがわかりました。 「私たちの材料はエレクトロニクスの熱管理に役立つと信じています」とキム氏は言います。

キム氏は、彼らが二硫化モリブデンを使った実験を選択したのは、材料の大きな膜を成長させる手段を以前に開発していたからだと指摘する。 原理的には、グラフェンなどの他の原子的に薄い材料で作られたスタックも同様かそれ以上の性能を発揮する可能性があります。 将来の研究では、2 つ以上の異なる材料の積層で作られたいわゆるヘテロ構造がどのように機能するかについても調査される可能性があると彼女は指摘しています。

キム氏は実験について、「私たちのフィルムは手作業で積み重ねられているが、これは非常に厚いフィルムを作るにはあまり拡張性の高い方法ではない。最終的にはこれらの材料は実用化される可能性があるが、生産を拡張できるようにするためには工夫が必要だ」と警告する。