Física Estadística del [1] Departamento de Física de la UAB, así como del Laboratorio
Molecular Beam Epitaxy del [2] ICMAB-CSIC (Instituto de Ciencia de los Materiales), en el
Parc de Recerca UAB, ha conseguido desarrollar un material que podría actuar como
nanorefrigerador en los ordenadores y romper la barrera que el calentamiento impone a la
miniaturización de los chips.
Este nuevo material está basado en superredes formadas alternando dos capas, una de
silicio y otra de nanocristales de germanio, que actúan como puntos cuánticos (quantum
dots).
Al estar basado en nanoestructuras de [3] germanio (Ge), este nuevo material presenta una
fuerte reducción de la conductividad térmica (capacidad para disipar o retener energía), lo
que le convierte en un candidato potencial para desarrollar sistemas termoeléctricos
compatibles con el silicio. Por este motivo, se podría integrar en los dispositivos
semiconductores más habituales.
Una de estas propiedades, muy importante en cuanto al diseño de [4] chips, es la
conductividad térmica que tienen los dispositivos que integran un chip. Esta propiedad es
clave para el control del calentamiento de los circuitos muy miniaturizados y constituye uno
de los límites físicos actuales a la potencia de computación. Al combinar calor y electricidad
surgen efectos termoeléctricos que permitirían enfriar los circuitos y aumentar la potencia de
computación.
Pero hasta ahora no se ha conseguido ningún material con las propiedades adecuadas para
ser eficiente en su comportamiento termoeléctrico. Es por ello que la obtención de
materiales en la escala nanométrica puede ofrecer una vía para la mejora de las propiedades
termoeléctricas, ya que en estos materiales se puede conseguir una reducción importante de
la conducción térmica a la vez que se mantiene una conductividad eléctrica suficientemente
elevada, aspecto clave para obtener una eficiencia termoeléctrica elevada.
La clave de este nuevo descubrimiento con respecto a los realizados anteriormente es el
desordenamiento de estos puntos, los puntos cuánticos, entre capas consecutivas. Se tiene
que cumplir que los [5] puntos cuánticos en una capa no se sitúen sobre los de la capa
inferior adyacente, sino que ocupen lugares diferentes.
¿Y cómo se consigue esto? Pues mediante la inclusión de una pequeña subcapa de carbono
entre cada par de capas de silicio y nanopuntos de germanio cuya función es esconder la
información de los puntos cuánticos de niveles inferiores.
La consecuencia principal de todo esto es la disminución de la conductividad térmica al
dificultar el transporte del calor en la dirección perpendicular a las multicapas. En este
trabajo se ha comprobado que esta reducción respecto a las estructuras ordenadas es
superior a un factor 2.
Este hecho podría tener consecuencias notables de cara al diseño de nuevos materiales con
características termoeléctricas mejoradas y abre las puertas a la realización de posibles
nanorefrigeradores que se podrían integrar en los dispositivos semiconductores más
habituales, al ser una tecnología compatible con la tecnología del silicio.
Las estructuras basadas en Ge también son candidatas para aplicaciones de alta
temperatura, como la recuperación del calor que se genera en procesos de combustión y su
conversión en energía eléctrica.
Otra cosa importante que se debe destacar es el estudio teórico de las propiedades térmicas
que este nuevo material presenta a través de un modelo sencillo basado en una modificación
de la [6] ecuación de Fourier del calor. Los resultados demuestran que consigue predecir su
comportamiento a partir de sus dimensiones características. Así, fruto de los estudios
previos sobre el tema, los investigadores han conseguido entender el fundamento teórico
sobre el cual se basa el comportamiento térmico de este material nanoestructurado.
La investigación está coordinada por Javier Rodríguez, profesor del Departamento de Física
de la UAB, con la participación de Jaime Álvarez, Xavier Álvarez y David Jou, del mismo
departamento, así como los investigadores del CSIC Paul Lacharmoise, Alessandro Bernardi,
Isabel Alonso, y el investigador ICREA Alejandro Goñi. Parte de la investigación se ha
llevado a cabo en el Laboratorio de Nanotecnología del Centro de Investigación MATGAS en
el Parc de Recerca UAB.
La investigación ha sido publicada en Applied Physics Letters. El grupo de científicos
continúa trabajando en el desarrollo de un material que además tenga una buena
conductividad eléctrica mediante el dopaje controlado de la estructura.
CRF
Jesus Castillo
C.I. 15430564
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