NICOLAE TITULESCU - Akademos - Academia de Ştiinţe a Moldovei

Tribuna tânărului savantINGINERIA FONONICĂŞI CONDUCTIBILITATEATERMICĂ DE REŢEAÎN NANOSTRUCTURILEMULTISTRATIFICATEŞI ÎN GRAFENDr. conf. cerc. Denis NICAPHONON ENGINERING AND LATTICETHERMAL CONDUCTIVITY IN PLANARMULTILAYERED NANOSTRUCTURES ANDGRAPHENEPhonons, i.e. quanta of lattice vibrations,manifest themselves in all electrical, thermal,and optical phenomena in semiconductors andother material systems. Reduction of the size ofelectronic devices below the acoustic phononmean free path creates a new situation for thephonons propagation and interaction. Fromone side, it may complicate heat removal fromthe downscaled devices. From the other side,it opens up an opportunity for engineeringphonon spectrum in nanostructured materials,and achieving enhanced operation of nanoscaledevices. In the paper the author presents briefdescription of the theoretical development ofthe nanoscale phonon engineering concept formultilayered nanostructures i.e. concept of thetuning the phonon spectrum in the acousticallymismatched nano- and heterostructures inorder to change the ability of semiconductors toconduct heat or electric current. He also reviewsthe theoretical and experimental results of heatconduction in monolayer and few-layer graphene,obtained for the fi rst time by the physists fromUniversity of California – Riverside and MoldovaState University.Miniaturizarea impetuoasă a dispozitivelorelectronice în domeniul nanometric (cu dimensiunispaţiale caracteristice de ordinul milionimilor demilimetru), majorarea densităţii chip-urilor microşinanoelectronice, precum şi a vitezei lor defuncţionare, fac prioritară problema dirijării eficientea fluxurilor de căldură în dispozitivele respective.Pentru a asigura evacuarea căldurii de la punctelefierbinţi ale chip-urilor electronice moderne trebuieutilizate materiale cu o conductibilitate termicăînaltă, adică materiale cu o capacitate înaltă detransmitere a căldurii. Pe de altă parte, elementeletermoelectrice şi izolaţia termică necesită materialecu conductibilitate termică redusă.Principalii purtători de căldură la temperaturacamerei în materiale dielectrice, precum şimateriale semiconductoare aliate mediu (ca siliciulori germaniul) sunt fononii [1-3]. S-a stabilitfaptul, că proprietăţile fononice ale structurilornanodimensionale se deosebesc mult de cele alematerialelor volumetrice corespunzătoare [4-6].Limitarea spaţială a fononilor în nanostructuri(confinement-ul fononic) condiţionează cuantificareaspectrului fononic (apariţia unui număr mare deramuri ale energiei fononice), modifică densitateastărilor fononice şi micşorează viteza medie de grupa fononilor [4-6].Aceşti factori, împreună cu difuzia fononilor pefrontierele structurii (care nu este prezentă în cazulvolumetric), provoacă micşorarea conductibilităţiitermice de reţea în nanostructurile semiconductoareîn comparaţie cu materialul volumetric corespunzător[6-13]. După cum se arată în lucrările respective[9-10], conductibilitatea termică a nanofirelor dinsiliciu cu diametrul ~ 20 nm şi a nanostraturilor dinsiliciu cu grosimea ~ 20 nm este de aproximativ10 ori mai mică decât conductibilitatea termică asiliciului volumetric la temperatura camerei [9-10].Modificarea mai puternică a spectrelor energeticeale fononilor poate fi realizată în nanostructurilemultistratificate, formate din straturi cu diferiteproprietăţi de rigiditate [6,14-16]. În astfel destructuri apar tipuri noi de mode fononice, care potfi distribuite în toată structura sau sunt concentrateîn straturi separate. Modificând cu anumit scopproprietăţile fononice ale acestor nanostructuri prinmodificarea parametrilor materiali şi geometriciai straturilor ei, putem „dirija” conductibilitateatermică de reţea. Conceptul dirijării proprietăţilorfononice ale nanostructurilor pentru îmbunătăţireaproprietăţilor de conductibilitate electrică şi termicăa primit denumirea de „inginerie fononică” [4,6,17].Dezvoltarea consecventă a acestui concept pentruheterostructuri şi heterofire a fost efectuată de cătrefizicienii de la Universitatea de Stat din Moldovaîn colaborare cu partenerii de la Universitatea dinCalifornia, Riverside (SUA) [14-16,18-22].1. Ingineria fononică în structurilemultistratificate planePentru ilustrarea posibilităţilor inginerieifononice în structurile multistratificate plane(heterostructuri), se vor cerceta nanostraturile subţiridin siliciu acoperite cu armături din material careposedă o viteză mai mare sau mai mică a sunetuluidecât în siliciu. Armăturile din diamant reprezintăun exemplu de material cu viteza sunetului mainr. 2(21), iunie 2011 - 105