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Chip: quando ogni atomo può fare la differenza

Tutti sappiamo che il calore è uno dei principali nemici dell’elettronica. Il passaggio di corrente in un metallo genera calore proporzionalmente alla sua resistenza elettrica per effetto Joule.

Per questo, ogni dispositivo elettronico (ad esempio uno smartphone o un pc) si scalda quando viene utilizzato ed è estremamente importante evitare che la temperatura raggiunga valori troppo elevati per garantirne il corretto funzionamento.

Questo problema di thermal management [1,2] è uno dei motivi alla base della saturazione della frequenza delle CPU, iniziata all’incirca nel 2005.

La potenza dissipata da un transistor (e cioè il calore generato) è infatti proporzionale alla sua frequenza di utilizzo, ponendo di fatto un limite alla massima velocità delle CPU.

Un’altra sfida per la rimozione di calore è rappresentata dalla densità sempre più elevata di transistor su un chip.

Nel mese di giugno di quest’anno, Ibm, Global Foundries e Samsung hanno annunciato che con la tecnologia del nodo a 5 nm verranno integrati più di 30 miliardi di transistor su un chip di un 1×1 cm.

Con questi numeri, non è più sufficiente controllare la temperatura al livello del chip, ma occorre gestire il calore a livello del singolo transistor.

Nico Mosso, PhD student in the Materials Integration and Nanoscale Devices Group IBM Research

Nel centro di ricerca Ibm di Zurigo siamo interessati a comprendere come il calore viene generato e trasportato alla nanoscala.

Mentre le dimensioni dei transistor continuano a diminuire, la risoluzione spaziale delle tecniche sperimentali che permettono di studiare il trasporto di calore non riesce a tenere il passo.

Solo recentemente, nei nostri laboratori è stato sviluppato un “termometro” per la nanoscala basato sulla tecnica di Scanning Thermal Microscopy, raggiungendo una risoluzione spaziale di circa 10 nm e una sensibilità di pochi millesimi di grado.

Grazie a questo strumento, è possibile misurare la distribuzione di temperatura di un dispositivo e studiare effetti locali di dissipazione del calore dovuti ad esempio alla presenza di difetti o alle proprietà del dispositivo stesso.

Con questa tecnica però, risulta difficile determinare in modo quantitativo le proprietà termiche dei materiali.

Infatti, per poter progettare e integrare nuovi materiali con specifiche proprietà termiche, è necessario stabilire come la struttura microscopica del materiale influisce sulla capacità conduzione del calore.

Per questi motivi, nell’ultimo anno abbiamo sviluppato un nuovo sistema di misura che permette di esplorare i limiti fisici legati alla conduzione e alla generazione di calore quando le dimensioni del dispositivo raggiungono quelle di pochi atomi.

Un solo atomo d’oro

Questa tecnica sperimentale consiste nel misurare il flusso di calore attraverso il contatto tra la punta di un microscopio a effetto tunnel (STM) e un sensore di temperatura MEMS (Micro Electro-Mechanical System).

Il sistema di misura si trova all’interno dei Noise Free Labs, un laboratorio schermato da ogni fonte di rumore esterna, dalle vibrazioni meccaniche ai campi elettromagnetici, con umidità e temperatura controllata.

Grazie all’elevata sensibilità del sensore, siamo riusciti a misurare per la prima volta la conducibilità termica di contatti elettrici formati da pochi atomi d’oro, collegando le proprietà termiche del contatto al numero di atomi presenti.

Siccome in un metallo la maggior parte del calore viene trasportato dagli elettroni, la conducibilità termica risulta proporzionale alla conducibilità elettrica. Questa legge fisica è nota come legge di Wiedemann-Franz ed è applicabile in generale per tutti i metalli su scala macroscopica. Finora alla nanoscala si era rivelato molto più difficile verificarne le predizioni, principalmente per le difficoltà legate alla tipologia di misura. Grazie a questo esperimento è stato possibile ottenere la sensibilità necessaria e confermare la validità della legge di Wiedemann-Franz fino alla scala atomica.

Questi risultati non ci permetteranno di avere dispositivi più veloci e performanti nel breve termine, ma rappresentano un passo importante per imparare a controllare il calore alla nanoscala come già facciamo per la corrente elettrica. Nel futuro useremo questa tecnica per studiare diverse molecole organiche, al fine di sintetizzare nuovi materiali con proprieta’ termiche ottimizzate per ogni applicazione.

 

[1] Moore, A. L., & Shi, L. (2014). Emerging challenges and materials for thermal management of electronics. Materials Today, 17(4), 163–174.

[2] Pop, B. E., Sinha, S., & Goodson, K. E. (2006). Heat Generation and Transport in Nanometer-Scale Transistors.