Auf die Oberfläche kommt es an – Verringerte Wärmeleitfähigkeit bei flachen Siliziumkanälen

Die verschiedenen Kreise stellen die untersuchten Oberflächen der Siliziummembranen dar: kristallin, rau, flach mit natürlichem Siliziumdioxid und rau mit natürlichem Siliziumdioxid. Das rechte Bild zeigt eine repräsentative Wärmekarte einer Membrane nach lokaler thermischer Anregung, die die Wärmeleitfähigkeit misst / Bildquelle: Max-Planck-Institut für Polymerforschung, ACS Nano

Die Fähigkeit von Materialien, Wärme zu leiten, ist ein vertrautes Alltagsphänomen. Den Grundstein für die heutige Theorie des Wärmetransports legte der französische Wissenschaftler Jean-Baptiste Joseph Fourier 1822 mit seinem Buch „Théorie analytique de la chaleur” (Analytische Theorie der Wärme). Er zeigte, dass die Wärmeleitfähigkeit, das heißt das Verhältnis von Wärmefluss zum Temperaturgradienten, eine intrinsische Materialeigenschaft ist.

Das Aufkommen der Nanotechnologie, für die die Regeln der klassischen Physik mit abnehmender Größe sukzessive versagen, stellt Fouriers Theorie der Wärme auf verschiedenen Weisen auf die Probe. Ein von Wissenschaftlern am Max-Planck-Institut für Polymerforschung, dem Katalanischen Institut für Nanowissenschaften und Nanotechnologie (ICN2, Spanien) und dem Technischen Forschungszentrum Finnlands (VTT, Finnland) im Rahmen des MERGING-Projektes (Membrane-based phonon engineering for energy harvesting) in der Zeitschrift ACS Nano gemeinsam veröffentlichter Artikel beschreibt, wie die Oberflächenbeschaffenheit auf Nanometerskala und die chemische Zusammensetzung der Oberfläche die Wärmeleitfähigkeit der ultradünnen Siliziummembranen beeinflussen.

Die Ergebnisse zeigen, dass die Wärmeleitfähigkeit von weniger als 10 Nanometer dünnen Siliziummembranen 25-mal niedriger ist als die von reinem kristallinen Silizium. Die Wärmeleitfähigkeit wird hierbei weitgehend durch die Struktur und die chemische Zusammensetzung der Oberfläche bestimmt. Durch die Verbindung neuester realistischer Modellierung auf atomarer Ebene, ausgeklügelter Herstellungsverfahren, neuartiger Messverfahren und modernster parameterfreier Modellierung ist es Forschern gelungen, die Rolle von Oberflächenoxidation zu entschlüsseln. Die Streuung von Phononen (quantisierte Gitterschwingungen), die hauptverantwortlich für die Wärmeübertragung in Silizium sind, wurde dazu untersucht.

Sowohl Experiment als auch Modellierung zeigen, dass das Entfernen der natürlichen Oxidschicht die Wärmeleitfähigkeit von Siliziumnanostrukturen fast verdoppelt, während erneute partielle Oxidation sie wieder senkt. Molekulardynamik-Simulationen auf großer Skala mit bis zu 1 000 000 Atomen erlauben es den Wissenschaftlern die relativen Beiträge zur Verringerung der Wärmeleitfähigkeit, die durch das vorhandene natürliche Siliziumdioxid und die Reduzierung der Dimension entstehen, anhand eines Modells mit vollständig reflektierenden Oberflächen zu quantifizieren.

Silizium ist das Hauptmaterial für beinahe alle Elektronikanwendungen, in denen charakteristische Größen kleiner als zehn Nanometern erreicht werden, wie beispielsweise bei den neuesten Feldeffekttransistoren (FET), bei denen die Kontrolle der Wärmeabfuhr entscheidend für eine optimale Leistung ist.

Die chemische Beschaffenheit von Oberflächen stellt sich als der neue Hauptparameter für die Optimierung von siliziumbasierten elektronischen und thermoelektrischen Nanoobjekten heraus, so Dr. Davide Donadio. Diese Arbeit eröffnet dadurch neue Möglichkeiten für innovative thermische Experimente und Ausführungen, die den Zweck verfolgen, Wärme auf der Nanoskala zu manipulieren.

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