拥有出色热传导的新型纳米线

科学家们已经发现了一种新材料，其导热效率比先进芯片技术中使用的传统材料高150%。

该器件是一种超薄硅纳米线，可以实现更小、更快的微电子技术，其传热效率超过所有目前的技术。由能有效散热的微芯片组成的电子设备可以消耗更少的能量，这一改进有助于减少燃烧富含碳的化石燃料所产生的能量消耗，而这是导致全球变暖的主要原因。

“通过克服硅在导热能力方面的天然缺陷，“我们的发现解决了微芯片工程技术中的一个障碍，”加州大学伯克利分校材料科学系的科学家和材料科学与工程系教授Junqiao Wu表示。

我们的电子产品因为硅而相对便宜，硅是计算机芯片的首选材料，既便宜且储量丰富。但是，尽管硅是电的良导体，但当它被缩小到非常小的尺寸时，它就不是热的良导体了，而当需要快速计算时，这给微型芯片带来了一个大问题。

在每个微芯片中都有数百亿个硅晶体管，它们引导电子进出存储单元，将数据位编码为计算机的二进制语言1和0。电流在这些努力工作的晶体管之间流动，这些电流的流动不可避免地会产生热量。

热量自然地从热的物体流向冷的物体。但硅中的热流变得棘手。

在其自然形态中，硅由三种不同的同位素组成——一种化学元素的形态，其原子核中含有相同数量的质子，但中子数量不同（因此质量不同）。

大约92%的硅由同位素硅-28组成，硅-28包含14个质子和14个中子，约5%为硅-29，含有14个质子和15个中子，只有3%为硅-30，硅-30是一种相对较重，含有14个质子和16个中子，伯克利实验室材料科学部高级科学家，也是加州大学伯克利分校材料科学与工程副教授Joel Ager解释说。

作为声子，携带热量的原子振动波在硅的晶体结构中蜿蜒前进，当它们撞到硅-29或硅-30时，它们的方向会发生变化，硅-29或硅-30的不同原子质量会“迷惑”声子，使它们变慢。

“声子最终‘明白过来’，并运动至较冷的一端以冷却硅材料，但这种间接途径允许废热积聚，这反过来也会降低计算机的速度，”Ager表示。

几十年来，研究人员一直认为，由纯硅-28制成的芯片将克服硅的导热极限，从而提高更小、密度更高的微电子器件的处理速度。

但是，Ager表示，将硅提纯成单一同位素需要大量的能量，而很少有设施能够提供这种能量，而且专门制造市场上可供使用的同位素的设施更少。

幸运的是，本世纪初的一个国际项目使Ager和权威半导体材料专家Eugene Haller得以从一家前苏联时期的同位素制造厂采购四氟化硅气体，它是同位素纯化硅的起始材料。

他们随后进行了一系列开创性的实验，包括2006年发表在《Nature》杂志上的一项研究，Ager和Haller将硅-28制成了单晶，他们用以证明量子存储器以量子位或量子位的形式存储信息，在电子自旋中，数据单位同时以1和0的形式存储。

之后，用Ager和Haller的硅同位素材料制成的半导体薄膜和单晶显示出比天然硅高10%的导热系数。这是一个很大的进步，但从计算机行业的角度来看，花费1000倍的钱用同位素纯硅制造计算机是值得的，Ager表示。

但Ager明白，硅同位素材料具有量子计算以外的科学重要性。因此，他把剩下的东西保存在伯克利实验室中，以防其他科学家可能需要它，因为很少有人有资源制造甚至购买到同位素纯硅。

大约三年前，Wu和他的研究生Penghong Ci试图找到新的方法来提高硅芯片的传热率。

制造效率更高的晶体管的一种方法是使用一种称为栅极全场效应晶体管的纳米线。Wu解释说，在这些器件中，硅纳米线堆叠后可导电，同时产生热量。如果产生的热量不能迅速排出，该器件就会停止工作，就像没有疏散地图的高楼里发出的火灾警报一样。”

但硅纳米线因为它们粗糙的表面，其热传输更糟糕。化学加工留下的‘疤痕’会更加分散或“迷惑”声子，他解释道。

“然后有一天，我们想到，如果我们用同位素纯硅-28制成纳米线，会发生什么呢？”Wu说道。

硅同位素在公开市场上不是很容易买到的东西，有消息称，Ager在伯克利实验室还有一些硅同位素晶体，可能数量不多，但仍足以分享。“如果有人对如何使用它有很好的想法，”Ager说到。“而Junqiao的新研究就是一个很好的想法。”

“我们真的很幸运，Joel正好拥有同位素富集的硅材料，可以用于这项研究，”Wu说道。

Wu团队使用Ager的硅同位素材料，测试对比了1毫米大小的体硅-28晶体与天然硅的热导率。他们的实验再次证实了Ager及其合作者多年前发现的结果，即体硅-28的导热性能仅比天然硅好10%。

之后是纳米测试。利用一种叫做化学蚀刻的技术，Ci制造出了直径仅为90纳米（十亿分之一米）的天然硅和硅-28纳米线，直径大约是人类头发丝的1000倍。

为了测量热导率，Ci将每条纳米线悬挂在两个配有铂电极和温度计的微加热器垫之间，然后向电极施加电流，在一个垫上产生热量，之后热量通过纳米线流向另一个垫。

“我们预计使用同位素纯材料进行纳米线热传导只会带来像是大约20%的增量效益。”Wu表示。

但Ci的测量结果让他们都感到惊讶。Si-28纳米线的导热率不到10%，甚至不到20%，但比具有相同直径和表面粗糙度的天然硅纳米线高150%。

Wu表示，这和他们预期的完全相反。纳米线粗糙的表面通常会减慢声子的速度。那么到底发生了什么？

莱斯大学的Matthew R.Jones和Muhua Sun拍摄的这种材料的高分辨率TEM（透射电子显微镜）图像揭示了第一条线索：硅-28纳米线表面有一层玻璃状的二氧化硅。

由纳米线热传导方面的权威专家Zlatan Aksamija领导的马萨诸塞大学阿默斯特分校的计算模拟实验表明，由于缺乏同位素“缺陷”，硅-29和硅-30阻止了声子逃逸到表面，而二氧化硅层会大大降低声子的速度。这反而又让声子在热流方向上流动，从而减少了硅-28纳米线“核心”内的“混乱”

由纳米线热传导方面的权威专家Zlatan Aksamija领导的马萨诸塞大学阿默斯特分校的计算模拟实验表明，由于缺乏同位素“缺陷”，硅-29和硅-30阻止了声子逃逸到表面，而二氧化硅层会大大降低声子的速度。这反而又让声子在热流方向上流动，从而减少了硅-28纳米线“核心”内的“混乱”

“Junqiao和他的团队发现了一种新的物理现象，”Ager表示，“这是好奇心驱动之下获得的科学胜利。这非常令人兴奋。”

Wu表示研究小组下一步计划将他们的发现再向前进一步，研究如何“控制而不仅仅是测量这些材料中的热传导”。