Kas prasidėjo kaip linksmas eksperimentas – dekoratyvinio deimantinio „pelėdos“ atvaizdo kūrimas išskirtiniams svečiams – virto nauju, lengvai pritaikomu elektronikos gamybos procesu.
Raiso universiteto („Rice University“) mokslininkai sukūrė „iš apačios į viršų“ metodą, leidžiantį auginti deimanto raštus paviršiuje ir taip efektyviau aušinti elektronikos įrenginius.
Ši technika leidžia deimantą integruoti tiesiai į prietaiso struktūrą, sumažinant jo darbinę temperatūrą net 23 °C (41 °F). Tai gali prailginti įrenginių eksploatavimo laiką, pagerinti jų veikimą ir padidinti energinį efektyvumą tokiose technologijose kaip 5G ryšys, radarai ar dirbtinio intelekto duomenų centrai.
„Elektronikoje karštis yra pagrindinis priešas“, – sako Raiso universiteto medžiagų mokslo ir nano-inžinerijos mokslinių tyrimų asistentas profesorius Siangas Džangas (Xiang Zhang). „23 °C temperatūros sumažėjimas yra reikšmingas – tai gali prailginti 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 juo labai sunku dirbti. Tai vienas kietžiausių medžiagų Žemėje, todėl tradicinis „iš viršaus į apačią“ metodas – kai išaugintas deimanto lakštas po to pjaustomas ir apdirbamas – yra lėtas, brangus ir dažnai pažeidžia pačią medžiagą.
Dėl to mokslininkai savo dėmesį perkelia į „iš apačios į viršų“ metodus, leidžiančius deimantą auginti iš karto tiksliai ten ir tokios formos, kokios reikia, kad būtų galima tiesiogiai integruoti jį į elektronikos prietaisus.
Šiame „iš apačios į viršų“ procese naudojamas mikrobangų plazmos cheminio nusodinimo iš garų (CVD) metodas. Jame taikoma fotolitografija – ta pati technologija, kuri naudojama itin mažiems raštams spausdinti ant mikroschemų.
Pirmiausia ant mikroschemos paviršiaus sukuriamas savotiškas „šablonas“. Tuomet šis šablonas padengiamas nanodeimanto „sėklomis“. Mikroschemą įdėjus į aukštos energijos reaktorių, anglies atomai tarsi „lyja“ ant paviršiaus, prisitvirtina prie šių sėklų ir iš jų auga vientisas, šilumą puikiai išsklaidantis deimanto sluoksnis tiksliai tose vietose, kur to reikia.
„Reaktorius veikia naudodamas mikrobangų energiją – panašiai kaip jūsų 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 – tai esminis pirmasis žingsnis auginant deimantą. 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 labai perspektyvų pramoninėms reikmėms. 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.
Šis lankstumas rodo, kad metodas jau pasirengęs masinei gamybai ir gali tapti realia platforma kuriant energiją taupančią, didelio našumo ateities elektroniką.
Be to, šis metodas suderinamas su įvairiomis pamatinėmis medžiagomis, tokiomis kaip silicis ir galio nitridas. Tai suteikia pagrindą mastelio didinimui, integruojant 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 jūsų telefono baterijos veikimo laiką ir kompiuterio greitį. Naudodami deimantą efektyvesniam šių prietaisų aušinimui, mes galime sukurti greitesnes, patikimesnes ir ilgiau tarnaujančias technologijas“, – aiškina medžiagų mokslo ir nano-inžinerijos profesorius.
Kitas tyrėjų tikslas – dar labiau ištobulinti ryšį tarp deimanto sluoksnio ir po juo esančios elektronikos struktūros. Sėkmingas šio sujungimo optimizavimas atvers kelią naujos kartos tranzistorių kūrimui – tokių, kurie bus gerokai greitesni ir galingesni nei dabartiniai.
