Ученые IBM исследуют тепловыделение в крошечных трубчатых структурах атомов углерода
4 марта 2009
Рубрика: Новости.
Автор: .

Ученые IBM Research, научно-исследовательского подразделения корпорации IBM (NYSE: IBM) , сегодня сообщили о важной исследовательской работе в области наноэлектроники – разработке и демонстрации новаторских методов измерения распределения энергии и тепла в устройствах на основе углеродной нанотрубки, питаемых электроэнергией.

Используя эти методы, исследователи IBM установили, каким образом энергия электрических токов, проходящих через нанотрубки, преобразуется в тепло и «растрачивается» на групповые колебания атомов нанотрубки, а также на поверхностные колебания подложки.

«Понимание того, как тепловые потоки протекают через определенные нанотрубчатые структуры, позволит сделать важные выводы о функционировании и интеграции будущих устройств на основе углерода, — считает Фаэдон Авоурис (Phaedon Avouris), почетный сотрудник IBM (IBM Fellow) и менеджер IBM Research по наноэлектронным исследованиям. — Эти выводы, ценные для фундаментальной науки, имеют решающее значение для создания нанотепловых систем управления, которые будут регулировать тепло, выделяемое этими устройствами».

Результаты данного исследования будут опубликованы в ближайшем выпуске журнала Nature Nanotechnology.

Углеродные нанотрубки представляют собой крошеные молекулярные трубчатые структуры, которые почти в 100000 раз тоньше человеческого волоса. Углеродные нанотрубки состоят из повторяющихся спиралей углеродных шестиугольников, напоминая рулоны мелкой проволочной сетки атомарного масштаба. Углеродные нанотрубки – главные кандидаты на роль проводников и активных каналов в компьютерных чипах будущего; в элементах на основе углеродных нанотрубок может быть достигнута в тысячи раз более высокая плотность монтажа, чем у компонентов стандартных современных микросхем. 

То, что устройства на основе углеродных нанотрубок нагреваются во время «работы» (при подаче электропитания), ученым было известно давно, однако они не знали, как измерить эффекты, и не понимали механизмов передачи энергии внутри структур устройства и механизмов рассеивания тепла.
Исследователи IBM изучили функционирование одиночной полупроводниковой углеродной нанотрубки в качестве активного канала транзистора. Предельная чувствительность детектирования резонансного рассеяния света в сочетании с измерениями параметров переноса электроэнергии позволили ученым отслеживать изменения оптических свойств нанотрубок по мере протекания через них электрического тока. Исследователи использовали эти изменения в качестве «термометров», изучая то, как энергия электрического тока рассеивается в зависимости от различных режимов колебательного движения атомов, формирующих нанотрубки, а также режимов колебаний поддерживающих подложек.

Используя этот метод, исследователи IBM смогли зафиксировать ряд колебательных состояний нанотрубок и определить направления рассеивания энергии в зависимости от условий функционирования транзистора. Ученые установили нестатистическое распределение между различными режимами колебаний (не зависящее от теплового равновесия) – в высокоэнергетических колебательных режимах нагрев до «эффективных температур» превышал 1000 градусов Цельсия, тогда как режимы с низкой энергией оставались относительно «холодными», с температурой порядка 400 градусов, при одном и том же уровне электрической мощности. Что более важно, исследователи обнаружили, что перенос электроэнергии в устройстве и перенос тепла от нанотрубки к подложке в значительной степени зависят от эффективного механизма с непосредственной связью между носителями заряда в нанотрубке и колебаниями атомной решетки в поверхностном слое нижней изолирующей подложки. Перенос энергии через этот канал рассеивания, как было установлено, значительно интенсивнее, чем в случае применения обычных объемных полупроводниковых устройств.

Полученные результаты ставят под сомнение парадигму, долгое время существующую в физике конденсированной среды и физической химии, демонстрируя, что уравнавешивание энергии (энергетический баланс) между состояниями колебательного движения атомов в одномерных (линейных) материалах подобно углеродным нанотрубкам можно в значительной степени замедлять (подавлять).

Более того, результаты наблюдения зависимостей неравновесных колебательных состояний в маломерных системах, находящихся под воздействием электрического тока, ставят вопрос для нового научного поиска: как различаются физические и химические свойства этих систем под воздействием энергетически равновесного и неравновесного состояний колебательного возбуждения?

Orphus system
В Telegram
В Одноклассники
ВКонтакте