Kas prasidėjo kaip smagus eksperimentas – dekoratyvinio, „deimantinio“ pelėdos atvaizdo kūrimas išskirtiniams svečiams – netikėtai virto nauju, lengvai pritaikomu elektronikos gamybos procesu.
Raiso universiteto mokslininkai sukūrė „iš apačios į viršų“ metodą, leidžiantį auginti deimanto raštus tiesiai ant paviršiaus ir taip efektyviau aušinti elektronikos įrenginius.
Ši technika deimantą leidžia integruoti tiesiai į prietaiso struktūrą ir sumažinti jo darbinę temperatūrą net 23 °C. Tai gali pailginti įrenginių eksploatavimo laiką, pagerinti jų veikimą ir padidinti energinį efektyvumą tokiose srityse kaip 5G ryšys, radarų sistemos ar dirbtinio intelekto duomenų centrai.
„Elektronikoje karštis yra pagrindinis priešas“, – teigia Raiso universiteto medžiagų mokslo ir nano-inžinerijos mokslinių tyrimų asistentas profesorius Siangas Džangas (Xiang Zhang). „23 °C temperatūros sumažėjimas yra reikšmingas – tai gali pailginti prietaiso tarnavimo laiką ir leisti jam veikti greičiau neperkaistant.“
Karščio barjero įveikimas
Didelės galios technologijos, pavyzdžiui, dirbtinio intelekto procesoriai ir 5G įranga, šiandien susiduria su rimtais šilumos valdymo iššūkiais. Deimantas yra nepralenkiama medžiaga šilumos išsklaidymui, tačiau su juo dirbti itin sudėtinga. Tai viena kietžiausių medžiagų Žemėje, todėl tradicinis „iš viršaus į apačią“ metodas – kai pirmiausia išauginamas deimanto lakštas, o vėliau jis pjaustomas ir apdirbamas – yra lėtas, brangus ir dažnai pažeidžia pačią medžiagą.
Dėl šios priežasties mokslininkai vis dažniau renkasi „iš apačios į viršų“ metodus, kai deimantas auginamas iš karto tiksliai ten ir tokios formos, kokios reikia, kad jį būtų galima tiesiogiai integruoti į elektronikos prietaisus.
Šiame „iš apačios į viršų“ procese taikomas mikrobangų plazmos cheminis nusodinimas iš garų (CVD). Jame naudojama fotolitografija – ta pati technologija, kuri leidžia ant mikroschemų suformuoti itin smulkius raštus.
Pirmiausia ant mikroschemos paviršiaus sukuriamas savotiškas „šablonas“. Tuomet šablonas padengiamas nanodeimanto „sėklomis“. Mikroschemą įdėjus į aukštos energijos reaktorių, anglies atomai tarsi „lyja“ ant paviršiaus: jie prisitvirtina prie sėklų ir iš jų išauga vientisas, šilumą itin efektyviai išsklaidantis deimanto sluoksnis tiksliai tose vietose, kur jo reikia.
„Reaktorius veikia naudodamas mikrobangų energiją – panašiai kaip virtuvės mikrobangų krosnelė, tik gerokai galingesnė, – aiškina Džangas. – Ji paverčia dujas plazma. Plazmoje suskaidomos anglies turinčios dujos, sumaišytos su vandeniliu, o išlaisvinti anglies atomai nusėda ant pagrindo paviršiaus.“
Nukleacija yra esminis pirmasis deimanto auginimo etapas. Ji veikia kaip „sėkla“, suteikianti atramos tašką, ant kurio anglies atomai gali tvarkingai susidėlioti į deimanto kristalo sluoksnius.
Mastelio didinimui tinkamas sprendimas
Šio metodo universalumas daro jį itin perspektyvų pramoniniam pritaikymui. Mokslininkų komandai pavyko sėkmingai pritaikyti procesą 2 colių skersmens plokštelėms, strategiškai derinant du skirtingus „sėklų“ įterpimo būdus: fotolitografiją (kai reikia itin didelės raiškos ir sudėtingų raštų) ir lazeriu pjaustytas plėveles (kai reikalingas didesnio mastelio pritaikymas).
Toks lankstumas rodo, kad metodas artėja prie masinės gamybos lygio ir gali tapti realia platforma kuriant energiją taupančią, didelio našumo ateities elektroniką.
Be to, šis metodas suderinamas su įvairiomis pamatinėmis medžiagomis, įskaitant silicį ir galio nitridą. Tai sudaro prielaidas didinti mastelį ir integruoti aukštos kokybės deimantinį šiluminį valdymą į skirtingas puslaidininkines technologijas.
„Pagrindinė išvada ta, kad radome masteliui pritaikomą ir veiksmingą būdą integruoti deimantinį aušinimą į elektroniką“, – teigia tyrimui vadovavęs profesorius Pulikelas Adžajanas (Pulickel Ajayan).
„Tai svarbu, nes būtent karštis riboja telefono baterijos veikimo laiką ir kompiuterio greitį. Naudodami deimantą efektyvesniam šių prietaisų aušinimui, galime sukurti greitesnes, patikimesnes ir ilgiau tarnaujančias technologijas“, – aiškina medžiagų mokslo ir nano-inžinerijos profesorius.
Kitas tyrėjų tikslas – dar labiau ištobulinti sąlytį tarp deimanto sluoksnio ir po juo esančios elektronikos struktūros. Sėkmingai optimizavus šį sujungimą, atsivers kelias naujos kartos tranzistoriams – gerokai greitesniems ir galingesniems nei dabartiniai.
