Международная группа, возглавляемая учеными из Калифорнийского университета в Риверсайде (University of California, Riverside), разработала новый способ эффективного отвода и рассеивания тепла, выделяющегося во время функционирования полупроводниковых электронных приборов. Высокой эффективности ученые добились путем принудительного изменения энергетического спектра акустических фононов, квазичастиц, состоящих из упорядоченных волнообразных тепловых колебаний атомов материала в кристаллической решетке. А распространение и параметры этих фононов регулировались и ограничивались структурами нанометрового масштаба, изготовленными из полупроводникового материала определенного вида.

В качестве ограничительных наноструктур выступали нанопроводники из арсенида галлия (GaAs), синтез которых выполнила группа исследователей из Финляндии, которая, помимо этого, использовала метод спектроскопии Мандельштама-Бриллюэна (Brillouin-Mandelstam light scattering spectroscopy, BMS) для изучения движения фононов через прозрачные наноструктуры.

Изменяя форму и размеры наноструктур из арсенида галлия, ученые смогли добиться изменений энергетического спектра, дисперсии, акустических фононов так, что эти фононы обеспечили максимально эффективный перенос тепла от места его выделения к месту его рассеивания. Такая возможность является ключевым моментом в деле разработки наноразмерных электронных устройств, ведь зачастую большое количество выделяющегося тепла не дает инженерам возможности дальнейшего сокращения размеров устройства. Помимо этого, управление фононами позволяет направить их в области термоэлектрических преобразователей, которые будут превращать его назад в электрическую энергию, которую можно будет использовать повторно.

«В течение нескольких лет единственным методом изменения удельной теплопроводности электронных устройств заключался в использовании наноструктур-проводников фононов, имеющих определенные границы и интерфейсы. Мы же экспериментально продемонстрировали возможность изменения параметров фононов, которые передвигаются быстрее и которые могут двигаться в заданном направлении без дополнительных элементов-теплоотводов» – рассказывает Александр Баландин, профессор из Калифорнийского университета, – «Наша работа может стать основой для технологий, позволяющих создавать полупроводниковые материал, имеющие заранее заданные тепловые и электронные свойства, которые, в свою очередь, станут основой электронных приборов нового поколения».