5月18日消息，科学家们展示了一种新材料，其导热效率比先进芯片技术中使用的传统材料高 150%。

这种超薄硅纳米线，可以用于制造更小、更快的微电子器件，其传热效率超过当前技术。由有效散热的微芯片驱动的电子设备反过来会消耗更少的能量——这一改进有助于减少燃烧导致全球变暖的富含碳的化石燃料产生的能量消耗。

“通过克服硅在导热能力方面的自然限制，我们的发现解决了微芯片工程的一个障碍，”领导《物理评论快报》研究报告新设备的科学家吴俊桥说。吴是加州大学伯克利分校材料科学部的教授科学家和材料科学与工程教授。

表面有一层二氧化硅的硅 28 纳米线的透射电子显微镜图像。图片来源：Matthew R. Jones 和 Muhua Sun/莱斯大学

热量通过硅的缓慢流动

我们的电子产品相对便宜，因为硅——计算机芯片的首选材料——既便宜又丰富。但是，尽管硅是一种良好的电导体，但当它被缩小到非常小的尺寸时，它就不是一种良好的热导体——当涉及到快速计算时，这对微型微芯片来说是一个大问题。

每个微芯片内都有数百亿个硅晶体管，它们引导电子进出存储单元，将数据位编码为 1 和 0，这是计算机的二进制语言。电流在这些辛勤工作的晶体管之间流动，这些电流不可避免地会产生热量。

热量自然地从热的物体流向冷的物体。但是热流在硅中变得棘手。

在其自然形式中，硅由三种不同的同位素组成——一种化学元素的形式，其原子核中的质子数量相同，但中子数量不同（因此质量不同）。

大约 92% 的硅由同位素硅 28 组成，它有 14 个质子和 14 个中子；大约 5% 是硅 29，重量为 14 个质子和 15 个中子；合著者 Joel Ager 解释说，只有 3% 是硅 30，它是一种相对重量级的物质，有 14 个质子和 16 个中子，他拥有伯克利实验室材料科学部的高级科学家和加州大学伯克利分校材料科学与工程的兼职教授头衔。

作为携带热量的原子振动波声子，它们穿过硅的晶体结构，当它们碰到硅 29 或硅 30 时，它们的方向会发生变化，它们的不同原子质量会“混淆”声子，从而减慢它们的速度。

“声子最终得到了这个想法，并找到了通往冷端以冷却硅材料的方式，但这种间接路径会导致废热积聚，这反过来也会降低你的计算机速度，”Ager 说。

迈向更快、更密集的微电子学

几十年来，研究人员推测，由纯硅 28 制成的芯片将克服硅的热导率限制，从而提高更小、更密集的微电子器件的处理速度。

但是，将硅提纯成单一同位素需要高强度的能量，很少有设施可以提供——甚至更少的设施专门制造市场可用的同位素。

幸运的是，2000 年代初期的一个国际项目使 Ager 和领先的半导体材料专家 Eugene Haller 能够从前苏联时代的同位素制造厂采购四氟化硅气体——同位素纯化硅的起始材料。

这导致了一系列开创性的实验，包括 2006 年发表在《自然》杂志上的一项研究，其中 Ager 和 Haller 将硅 28 制成单晶，他们用单晶来证明量子存储器将信息存储为量子比特或量子比特，数据单元同时存储为电子自旋中的一和零。

随后，用 Ager 和 Haller 的硅同位素材料制成的半导体薄膜和单晶被证明具有比天然硅高 10% 的导热率——这是一种改进，但从计算机行业的角度来看，可能不足以证明花费 1000 美元是合理的。用同位素纯硅制造计算机要多出几倍的钱。

但阿格知道，硅同位素材料在量子计算之外具有重要的科学意义。所以他把剩下的东西放在伯克利实验室的一个安全地方，以防其他科学家可能需要它，因为很少有人有资源制造甚至购买同位素纯硅。

吴指出，该团队下一步计划将他们的发现带到下一步：通过研究如何“控制，而不仅仅是测量这些材料中的  热传导”。