HOMING "Kryształy fononiczne do zastosowań w nano-urządzeniach kontrolujących przepływ ciepła i dźwięku"

Instytucja nadzorująca: 
Fundacja na rzecz Nauki Polskiej
Kierownik projektu: 
dr Bartłomiej Graczykowski
Budżet: 
687 790,00 PLN
Data rozpoczęcia: 
01.01.2017
Czas trwania: 
24 miesiące
Numer umowy: 
Homing/2016-1/2

Współczesny poziom miniaturyzacji elektroniki opartej na półprzewodnikach definiuje technologia produkcji o rozmiarze charakterystycznym, czyli najmniejszego elementu, wynoszącym 7 nanometrów. Już w latach 90 XX wieku zauważono, że dla struktur o rozmiarach zredukowanych do poziomu poniżej jednej milionowej metra, należy zrewidować fundamentalne prawa opisujące m. in. właściwości elektryczne, akustyczno-mechaniczne oraz cieplne. Propagacja fal akustycznych w ciele stałym determinująca transport dźwięku oraz ciepła,  może być opisana za pomocą kwazicząstek – fononów. Ich właściwości opisane są poprzez zależność dyspersyjną (dozwolone częstotliwości przy określonej długości fali) oraz średnią drogę swobodną (średnia droga między kolejnymi zderzeniami z innymi fononami, niejednorodnościami, powierzchnia, itp.). Obie te cechy mogą być swobodnie manipulowane poprzez odpowiednia modyfikację materiału ukierunkowana na określona częstotliwość/długość fali akustycznej. Jedna ze współczesnych metod wykorzystuje w tym celu kryształy fononiczne (ang. Phononic Crystals, PnCs ), tj. struktury o periodycznie zmieniających się właściwościach sprężystych.  

Zasadniczym celem projektu jest zaprojektowanie, nano-fabrykacja oraz pomiar właściwości mechanicznych oraz cieplnych dwuwymiarowych kryształów fononicznych wykonanych na bazie ultra-cienkich membran krzemowych (grubość rzędu 100 nm). Projekt jest zorientowany na inżynierię fononową w zakresie częstotliwości od ułamka GHz do kilkunastu THz, czyli od hiperdźwięków do transportu ciepła, w zakresie od temperatury pokojowej do  1000 K. Szczególnymi celami projektu są: (i) 50–krotne obniżenie przewodnictwa cieplnego krzemu za pomocą PnCs przy zachowaniu jego przewodnictwa elektrycznego, (ii) wyznaczenie temperaturowej zależności  przewodnictwa cieplnego dla PnCs w zakresie od 300 do 1000 K, (iii) zbadanie transportu ciepła poprzez konwekcje powietrza w skali nono, (iv) określenie wpływu nieporządku struktury periodycznej na propagacje fal akustycznych (akustyczna lokalizacja Andersona) oraz transport ciepła w PnCs, (v) zbadanie wpływu zmiany zależności dyspersyjnej, możliwych pasm wzbronionych oraz lokalizacji na transport dźwięku oraz ciepła.  

Ideą projektu jest wykorzystanie krzemu, fundamentalnego materiału współczesnej elektroniki o dobrze opanowanej i nisko-kosztowej technologii nono-fabrykacji, w celu uzyskania nowych funkcjonalności opartych na transporcie dźwięku oraz ciepła.  Koncepcja ta wsparta jest poprzez zastosowanie unikalnych metod eksperymentalnych bazujących na spektroskopii Ramana oraz Brillouina.  Obie techniki wykorzystują oddziaływanie światła (fotonów) z fononami i w sposób niedestrukcyjny oraz bezkontaktowy dostarczają informacji o właściwościach mechanicznych oraz cieplnych danego materiału. W ramach projektu zbudowana zostanie zaawansowana aparatura  pomiarowa mająca dalsze zastosowanie w charakteryzacji innych materiałów dwu-wymiarowych takich jak grafen, dwusiarczek molibdenu, dwuselenek wolframu, itp, w zakresie wysokich temperatur, będącym poza zasięgiem innych technik eksperymentalnych.  

Oczekiwanym efektem projektu, poza nowym spojrzeniem na podstawowe własności fizyczne materii skondensowanej w skali nano, jest stworzenie innowacyjnych materiałów kompatybilnych z technologia CMOS o znaczącym potencjale aplikacyjnym. W szczególności projekt celuje w odzyskiwanie ciepła utraconego, stanowiącego około 90% energii pierwotnej, i jego bezpośrednia zamiana na prąd przy użyciu modułów termoelektrycznych.  Krzem o zredukowanym przewodnictwie cieplnym jest doskonałym kandydatem pozwalającym zastąpić współczesne materiały niekompatybilne z technologia CMOS lub zawierające elementy toksyczne.  PnCs mogą stanowić zasadniczy element zasilający autonomicznych układów elektronicznych lub sensorów. W ujęciu ogólnym, efektywne zarządzenie ciepłem, jego kierunkowy przepływ, szybkie usuwanie, odzyskiwanie stanowią wyzwania kontynuowanej miniaturyzacji elektroniki. W wielu przypadkach utrzymanie odpowiedniej mocy obliczeniowej, częstotliwości operacyjnej oraz zapewnienie żywotności układu wymaga niskiej i stabilnej temperatury. PnCs dają możliwość odprowadzania ciepła procesowego w sposób aktywny jako element modułu Peltiera, oraz pasywny wykorzystując wzmocniony poprzez nano-strukturyzację konwekcyjny przepływ powietrza. Współczesna telefonia komórkowa oparta na przetwarzaniu sygnałów o częstotliwości rzędu kilku GHz zmierza do limitu wykorzystania akustycznych fal powierzchniowych. Jednakże, ograniczenia wynikające z natury fal powierzchniowych mogą zostać ominięte przy zastosowaniu PnCs w postaci cienkich membran.  W tym kontekście, do głównych zalet PnCs należy wliczyć dostęp do znacznie szerszego spektrum częstotliwości przy użyciu standardowych technik litograficznych oraz brak strat mechanicznych związanych ze substratem a obecnych w przypadku fal powierzchniowych. W dalszej perspektywie PnCs stwarzają możliwość kolejnych zastosowań w zaawansowanych układach opto-mechanicznych do generacji spójnych fal dźwiękowych (SASER) o wysokiej  częstotliwości (GHz-THz), w diodach termicznych i akustycznych będących składnikiem układów logicznych opartych na przepływie ciepła lub dźwięku.  

Kontakt | Baza kontaktów | RSS | Login
© 2017 CENTRUM NANOBIOMEDYCZNE UAM | ul. Umultowska 85, PL61614 Poznań, Poland | tel.+48 61 829 67 04.

Developed by drupalninja.pl