Ученым впервые удалось выполнить измерения тепловых потоков в углеродных нанотрубках (УНТ) – наностуктурах, которые являются перспективными молекулярным блоками для создания электронных устройств нового поколения. Эксперименты показали, что процессы теплопередачи в углеродных нанотрубках происходят по гораздо более сложным механизмам, чем было принято считать ранее; полученные данные обрисовывают новый круг инженерных задач и принципов конструирования транзисторов на основе нанотрубок.

Эта работа, выполненная инженерами исследовательского центра IBM в Нью-Йорке, была опубликована в журнале Nature Nanotechnology. Тепловые эффекты в электронных устройствах являются одним из ключевых факторов, определяющих скорость работы полупроводниковых элементов. В проведенной работе по изучению тепловых потоков в УНТ и процессов нагревания и рассеивания тепла в материале ученые впервые смогли выйти на атомный уровень исследований.

Изображение демонстрирует возникновение различных
колебательных мод атомов углеродной нанотрубки (УНТ),
проводящей электрический ток (указан темно-серой стрелкой
справа на рисунке). Параболами схематически изображены
колебательные моды возбужденных атомов углерода. Каждая
мода характеризует свою температуру, которая варьирует
в материале от 1000°C до 400°C.

Ученые обнаружили, что электрический ток в транзисторе на основе УНТ приводит к неравномерному нагреванию материала: температура в различных частях варьируется от относительно невысокой (400°C ) до 1000 °C. Это свойство идет вразрез с тепловым поведением большинства материалов, которые нагреваются относительно равномерно. Другим важным открытием для ученых стал факт, что способы теплопередачи и электрические свойства УНТ зависят также и от свойств кварцевой подложки, с которой связан транзистор.

Первые попытки создания транзисторов с использованием УНТ в 1998 году воодушевили инженеров в создании нового поколения электронных устройств на основе углеродных компонентов. Нанотрубки демонстрировали великолепные проводящие свойства и рассматривались как выгодная с точки зрения скорости работы, компактности и энергопотребления альтернатива кремниевым элементам. Но серьезным камнем преткновения оставался вопрос о тепловых свойствах нового материала. В последние два года ученые вплотную подошли к изучению этого вопроса, однако проведение точных измерений тепловых свойств нанотрубок упиралось в рассмотрение динамики теплопередачи в пределах всего лишь одной молекулы, поскольку действующий канал УНТ-транзистора образован лишь одной нанотрубкой.

Для измерения тепловых характеристик УНТ исследователи IBM использовали возможности сверхчувствительной оптической спектроскопии: прецизионно сфокусированный лазерный луч сканировал поверхность нанотрубки в транзисторе в тот момент, когда по ней протекал электрический ток. Абсорбция и рассеяние попадающего на атомы УНТ света характеризуют колебательные характеристики (моды) атомов, которые, в свою очередь, отражают температуру в локальных участках нанотрубки. Успех этого эксперимента, в отличие от предыдущих попыток ученых провести подобные измерения, был следствием высоко точной работы с одиночной нанотрубкой, для выделения которой потребовались определенные усилия. Объединение результатов целого комплекса измерений при различных условиях позволило создать модель теплового потока в УНТ.

Наиболее сложной задачей оказалась интерпретация описанных тепловых свойств нанотрубок в приложении к ситуациям, где они взаимодействуют с другими веществами, в том числе, с материалом подложки. И, несмотря на прекрасную теплопроводность, свойство нанотрубкок рассеивать тепло оказывается весьма чувствительным к материалу, который с ними соприкасается.

Основным выводом из проведенных исследований стало возникновение инженерных рекомендаций, в числе которых IBM называет необходимость особого внимания к тепловым процессам при конструировании элементов электронных устройств на основе УНТ. Обеспечение необходимых характеристик транзисторов на основе УНТ может быть достигнуто в результате применения специальных материалов, выполняющих роль прослойки между УНТ и подложкой.

Мария Костюкова