Ученым впервые удалось выполнить измерения тепловых
потоков в углеродных нанотрубках (УНТ) – наностуктурах, которые
являются перспективными молекулярным блоками для создания электронных
устройств нового поколения. Эксперименты показали, что процессы
теплопередачи в углеродных нанотрубках происходят по гораздо более
сложным механизмам, чем было принято считать ранее; полученные данные
обрисовывают новый круг инженерных задач и принципов конструирования
транзисторов на основе нанотрубок.
Эта работа, выполненная инженерами исследовательского центра IBM в Нью-Йорке, была опубликована в журнале Nature Nanotechnology.
Тепловые эффекты в электронных устройствах являются одним из ключевых
факторов, определяющих скорость работы полупроводниковых элементов. В
проведенной работе по изучению тепловых потоков в УНТ и процессов
нагревания и рассеивания тепла в материале ученые впервые смогли выйти
на атомный уровень исследований.
 Изображение демонстрирует возникновение различных
колебательных мод атомов углеродной нанотрубки (УНТ),
проводящей электрический ток (указан темно-серой стрелкой
справа на рисунке). Параболами схематически изображены
колебательные моды возбужденных атомов углерода. Каждая
мода характеризует свою температуру, которая варьирует
в материале от 1000°C до 400°C.
Ученые обнаружили, что электрический ток в транзисторе на основе УНТ
приводит к неравномерному нагреванию материала: температура в различных
частях варьируется от относительно невысокой (400°C ) до 1000 °C. Это
свойство идет вразрез с тепловым поведением большинства материалов,
которые нагреваются относительно равномерно. Другим важным открытием
для ученых стал факт, что способы теплопередачи и электрические
свойства УНТ зависят также и от свойств кварцевой подложки, с которой
связан транзистор.
Первые попытки создания транзисторов с использованием УНТ в
1998 году воодушевили инженеров в создании нового поколения электронных
устройств на основе углеродных компонентов. Нанотрубки демонстрировали
великолепные проводящие свойства и рассматривались как выгодная с точки
зрения скорости работы, компактности и энергопотребления альтернатива
кремниевым элементам. Но серьезным камнем преткновения оставался вопрос
о тепловых свойствах нового материала. В последние два года ученые
вплотную подошли к изучению этого вопроса, однако проведение точных
измерений тепловых свойств нанотрубок упиралось в рассмотрение динамики
теплопередачи в пределах всего лишь одной молекулы, поскольку
действующий канал УНТ-транзистора образован лишь одной нанотрубкой.
Для измерения тепловых характеристик УНТ исследователи IBM
использовали возможности сверхчувствительной оптической спектроскопии:
прецизионно сфокусированный лазерный луч сканировал поверхность
нанотрубки в транзисторе в тот момент, когда по ней протекал
электрический ток. Абсорбция и рассеяние попадающего на атомы УНТ света
характеризуют колебательные характеристики (моды) атомов, которые, в
свою очередь, отражают температуру в локальных участках нанотрубки.
Успех этого эксперимента, в отличие от предыдущих попыток ученых
провести подобные измерения, был следствием высоко точной работы с
одиночной нанотрубкой, для выделения которой потребовались определенные
усилия. Объединение результатов целого комплекса измерений при
различных условиях позволило создать модель теплового потока в УНТ.
Наиболее сложной задачей оказалась интерпретация описанных тепловых
свойств нанотрубок в приложении к ситуациям, где они взаимодействуют с
другими веществами, в том числе, с материалом подложки. И, несмотря на
прекрасную теплопроводность, свойство нанотрубкок рассеивать тепло
оказывается весьма чувствительным к материалу, который с ними
соприкасается.
Основным выводом из проведенных исследований стало возникновение
инженерных рекомендаций, в числе которых IBM называет необходимость
особого внимания к тепловым процессам при конструировании элементов
электронных устройств на основе УНТ. Обеспечение необходимых
характеристик транзисторов на основе УНТ может быть достигнуто в
результате применения специальных материалов, выполняющих роль
прослойки между УНТ и подложкой.
Мария Костюкова | 
