Nanotecnología

Por Eva Vicente Morales

Una investigación conjunta del Grupo de Nanomateriales y Microsistemas y del Grupo de Física Estadística del Departamento de Física de la UAB, así como del Laboratorio Molecular Beam Epitaxy del 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 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 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 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 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.