Американські фізики виготовили матеріал з рекордним коефіцієнтом теплової анізотропії. Він складається з моношарів сульфідів перехідних металів, накладених один на одного в стоси з випадковою орієнтацією доменів. Вони довели, що такий матеріал ефективно охолоджує і одночасно термоізолює електроди. Дослідження опубліковано в.
Одна з головних проблем мікроелектроніки, що обмежують подальшу мініатюризацію, - це перегрів мікросхем, тому вкрай важливо вміти відводити від них тепло. Допомогти в цьому можуть матеріали з анізотропною теплопровідністю. У таких матеріалах тепло передається з різною швидкістю залежно від того, в якому напрямку йде тепловий потік. Ця властивість характеризується за допомогою коефіцієнта теплової анізотропії , який дорівнює відношенню теплопровідностей уздовж швидкої і повільної осей.
Теплова анізотропія зустрічається у природних матеріалів, наприклад, графіту ( = 340) або нітрида бору ( = 90), однак вони погано піддаються масштабуванню. Крім того, не всі природні матеріали мають відповідні оптичні або електричні властивості. Проблему могли б вирішити синтетичні матеріали, але до недавнього часу фізикам не вдавалося синтезувати матеріали з високим (більше 20) коефіцієнтом теплової анізотропії при кімнатній температурі.
Група американських фізиків за участю Пола Ерхарта (Paul Erhart) з Технічного Університету Чалмерс, Швеція, змогла істотно змінити цю ситуацію. Вони виготовили матеріали на основі сульфідів перехідних металів (MoS2 і WS2), які демонстрували коефіцієнт теплової анізотропії, приблизно рівний 900. Для цього вони вирощували полікристалічні моношари з розміром доменів біля одного мікрону, а потім збирали їх у стоси у вакуумному середовищі без контролю орієнтації. Таке складання гарантувало випадкову орієнтацію решітки вздовж напрямку, перпендикулярного шару, що і зменшувало теплопровідність.
Для вимірювання цього ефекту фізики використовували метод термовідображення в тимчасовій області. Вони вимірювали повне термосопротивлення для зразків з різним числом шарів у перпендикулярному їм напрямку, розміщуючи зразок між алюмінієвим і сапфіровим інтерфейсами. Термосопротивлення лінійно зростало в залежності від числа шарів, що дозволило витягти з цих даних перпендикулярну теплопровідність, яка виявилася дорівнювати 57 3 мілівати на метр-кельвін для MoS2 і 41 3 мілівати на метр-кельвін для WS2. Примітно, що на відміну від випадку об'ємних сульфідів перехідних металів, перпендикулярна теплопровідність майже не залежала від температури, що підтверджує її нефононний характер.
Слідом вчені виміряли поздовжню теплопровідність. Для цього вони фокусували лазерний промінь у центр зразка, підвішеного над порожниною, діаметром п'ять мікрон, при низькому тиску, а потім вимірювали зміщення термочутливого раманівського піку залежно від потужності лазера. Лінійний характер цієї залежності дозволив вирахувати поздовжню теплопровідність мультишару MoS2, яка склала 50 6 ватт на метр-кельвін. Зменшення цієї величини зі зростанням температури і зі скороченням розміру доменів свідчить про те, що тепло в цьому випадку переноситься за допомогою фононів.
Для перевірки працездатності такого матеріалу для охолодження електродів, автори нанесли на кремнієву підкладку два золотих електрода завширшки 100 нанометрів, один з яких був покритий 10-нанометровою плівкою мультишару MoS2. При пропусканні занадто великого струму через тонкі електроди, вони нагріваються настільки сильно, що в них починають відбуватися ефекти електроміграції, які призводять до їх деградації, або руйнування. Експеримент показав, що створений фізиками матеріал забезпечує хороший тепловідвід, що дозволяє покритому їм електроду витримувати в середньому на 50 відсотків більші струми, ніж непокритому. При цьому в напрямку, перпендикулярному площині, матеріал термоізолює електрод.
Автори припускають, що запропонованим ними способом можна досягти і великих коефіцієнтів теплової анізотропії, якщо замість сульфідів перехідних металів використовувати речовини, з більшою поздовжньою теплопровідністю, наприклад, графен. Крім того, вони очікують, що точний контроль орієнтації доменів сусідніх шарів може виявити нові корисні ефекти.
Обертання шарів відносно одного дозволяє виявляти нові властивості у старих матеріалів. Ми вже розповідали, як така процедура змінила магнітні і надпровідні властивості графена.