Nano-Sandwiching verbessert die Wärmeübertragung in der Nanoelektronik

17. September 2018, 15:01 Uhr
Experimenteller Transistor mit Siliziumoxid als Basis, Kohlenstoff als 2D-Schicht und Aluminiumoxid für das Verkapselungsmaterial. Bild: Zahra Hemmat / uic.edu
Experimenteller Transistor mit Siliziumoxid als Basis, Kohlenstoff als 2D-Schicht und Aluminiumoxid für das Verkapselungsmaterial. Bild: Zahra Hemmat / uic.edu
Sandwiches aus zweidimensionalen Materialien für die Nanoelektronik aus Silizium, Kohlenstoff und Aluminiumoxid mindern das Risiko von Bauteilversagen aufgrund von Überhitzung deutlich.

Viele moderne elektronische Bauelemente enthalten 2D-Materialien wie Graphen (eine Schicht einer Atomlage aus Kohlenstoffatomen. Solche Schichten sind deutlich dünner als herkömmliche 3D-Materialien. Nanoelektronische Bauteile aus 2D-Materialien sind jedoch anfällig für Überhitzung. Dies liegt an der schlechten Wärmeleitfähigkeit von 2D-Materialien hin zur Siliziumbasis. Die Verbindungen zwischen den 2D-Materialien und dem Siliziumsubstrat sind leider nicht sehr intensiv. Wenn sich daher 2D-Material erwärmt, entstehen leicht sogenannte „Hot Spots“, die zu Überhitzung und Ausfall führen.

Um die Verbindung zwischen 2D-Material und Siliziumbasis und damit die Wärmeleitfähigkeit zu verbessern, haben Ingenieure der University of Illinois mit einer zusätzlichen ultradünnen Materialschicht auf der 2D-Schicht experimentiert und damit ein "Nano-Sandwich" hergestellt. Durch das Aufbringen einer weiteren Schicht auf das 2D-Material konnte der thermische Energietransfer zwischen 2D-Material und der Siliziumbasis verdoppelt werden. Gebaut wurde ein experimenteller Transistor mit Siliziumoxid als Basis, Kohlenstoff für das 2D-Material und Aluminiumoxid für die Verkapselung. Bei Raumtemperatur zeigte sich dann, dass die Wärmeleitung vom Kohlenstoff zur Siliziumbasis dank der Aluminiumoxidschicht doppelt so hoch war wie ohne sie.
 
Die Ergebnisse dieser Studie wurden im Journal of Advanced Materials von Forschern der University of Illinois am Chicago College of Engineering veröffentlicht.
 
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