Управление теплом остается одной из главных проблем современной высокомощной электроники.
Перегрев угрожает и транзисторам на основе нитрида галлия, которые используются в радарах и устройствах 5G, и мощным процессорам в дата-центрах, обеспечивающих работу систем искусственного интеллекта. Решить эту проблему попытались с помощью алмаза — одного из лучших проводников тепла среди всех известных материалов. Однако его исключительная твердость всегда делала обработку крайне сложной задачей, сообщает Hi-Tech Mail
Специалисты Университета Райса под руководством Пуликеля Аджаяна предложили принципиально иной подход. Ранее ученые действовали по методу «сверху вниз»: сначала выращивали сплошной алмазный слой, а затем пытались вырезать или вытравить на нем нужную форму. Из-за твердости и химической стойкости алмаза процесс шел мучительно медленно и сопровождался высоким риском повреждения материала.
Исследователи поступили наоборот. Они применили стратегию «снизу вверх», то есть стали выращивать алмазные покрытия нужной формы прямо на электронных компонентах. Алмазные узоры формировались непосредственно в процессе роста. Для этого использовался метод химического осаждения из газовой фазы с микроволновой плазмой. Мощное микроволновое излучение превращает газ в плазму, которая расщепляет углеродсодержащие газы, и атомы углерода оседают на подложку.
Чтобы контролировать места роста кристаллов, ученые применили два метода. Для создания мелких деталей использовалась фотолитография — стандартная техника микроэлектроники. Для более крупных пластин применили лазерную резку специальной пленки, на которую затем наносятся наноалмазные «семена». После удаления пленки остается чистый шаблон для роста алмаза — без использования агрессивных химикатов и сложной обработки. Этот метод позволил масштабировать процесс до двухдюймовых пластин.
Результаты превзошли ожидания. Удалось добиться снижения рабочей температуры электроники на 23 градуса Цельсия. Доцент материаловедения и наноинженерии Сян Чжан, соавтор исследования, пояснил, что в мире электроники тепло является главным врагом. Снижение на 23 градуса — это существенный показатель, который может продлить срок службы устройства и позволить ему работать быстрее без риска перегрева.
Примечательна история возникновения самой идеи. Изначально ученые хотели создать особый сувенир для почетных гостей университета — алмазную сову, которая является талисманом вуза. Чжан признался, что поначалу исследователи рассматривали получаемые узоры скорее как научное искусство, нежели как функциональные компоненты. Теперь же художественная техника нашла вполне практическое применение в сфере терморегулирования электроники.
Руководитель исследования Пуликель Аджаян подчеркнул, что ученым удалось найти простой, эффективный и масштабируемый способ интеграции алмазного охлаждения в электронику. Это открытие имеет большое значение, поскольку именно тепло ограничивает время работы батареи телефона и скорость работы компьютера. Используя алмаз для более эффективного охлаждения, исследователи приближают создание более быстрых, надежных и долговечных технологий будущего.
