Управление теплом — одна из ключевых проблем современной высокомощной электроники: от транзисторов на основе нитрида галлия в радарах и устройствах 5G до процессоров в дата-центрах, обеспечивающих работу искусственного интеллекта.
Большинство предыдущих методов использовали подход «сверху вниз»: сначала выращивали сплошной слой алмаза, а затем пытались вырезать или вытравить на этом слое нужную форму. Из-за твердости и химической стойкости алмаза сделать это невероятно сложно, процесс идет очень медленно и связан с высоким риском повреждения материала.
Специалисты Университета Райса под руководством Пуликеля Аджаяна применили противоположный подход — «снизу вверх», то есть стали выращивать алмазные покрытия нужной формы прямо на электронных компонентах, формируя алмазные узоры непосредственно в процессе роста. Для этого использовался метод химического осаждения из газовой фазы с микроволновой плазмой: мощное микроволновое излучение превращает газ в плазму, которая расщепляет углеродсодержащие газы, и атомы углерода оседают на подложку.
Чтобы контролировать, где именно начнется рост кристаллов, ученые применили два метода. Для мелких деталей — фотолитографию, стандартную технику микроэлектроники. Для крупных пластин — лазерную резку специальной пленки, на которую затем наносятся наноалмазные «семена». После удаления пленки остается чистый шаблон для роста алмаза — без агрессивных химикатов и сложной обработки. Метод позволил масштабировать процесс до двухдюймовых пластин.
В результате удалось добиться снижения рабочей температуры электроники на 23º С. «В мире электроники тепло — главный враг, — говорит соавтор работы, доцент материаловедения и наноинженерии Сян Чжан. — Снижение на 23 градуса — это существенно: оно может продлить срок службы устройства и позволить ему работать быстрее без перегрева».
Любопытно, что идея родилась из желания создать особый сувенир для почетных гостей — алмазную сову, талисман университета. «Изначально мы рассматривали эти узоры скорее как научное искусство, чем как функциональные компоненты, — признается Чжан. — Теперь мы нашли этой художественной технике практическое применение — она будет применяться для терморегулирования электроники».
«Мы нашли простой, эффективный и масштабируемый способ интегрировать алмазное охлаждение в электронику, — подчеркивает Аджаян. — Это важно, потому что именно тепло ограничивает время работы батареи телефона и скорость компьютера. Используя алмаз для более эффективного охлаждения, мы приближаем разработку более быстрых, надежных и долговечных технологий будущего».
Ранее ученые побили мировой рекорд по разгону графического процессора.
