O sobrequecemento dos dispositivos electrónicos afecta o seu rendemento e reduce a súa vida útil. Un dos grandes desafíos actuais consiste en poder xestionar de maneira eficiente a calor que xeran estes sistemas durante o seu funcionamento, e iso pasa por controlar a condutividade térmica dos diversos materiais que os compoñen. Mentres que a corrente eléctrica pode controlarse con facilidade nos materiais electrónicos convencionais, a calor formula un reto distinto: os fonóns, as partículas que a transportan en sólidos cristalinos, non posúen carga nin momento magnético, o que dificulta enormemente a súa manipulación.
Unha técnica desenvolvida no Centro Singular de Investigación en Química Biolóxica e Materiais Moleculares (CiQUS) da Universidade de Santiago (USC) permite trazar circuítos térmicos en certos óxidos de ferro e cobalto, logrando regular o fluxo de calor en áreas moi localizadas destes materiais. “Mediante esta técnica conseguimos reducir a condutividade térmica en rexións micrométricas de diversos materiais ata un 50%” sinala Francisco Rivadulla, director do estudo e catedrático do Departamento de Química-Física da USC.
Un proceso estable e reversible
Como se dun gravado a moi pequena escala se tratase, o persoal científico utilizou a punta dun microscopio de forzas atómicas para aplicar un campo eléctrico moi localizado sobre a superficie do material e xerar patróns micrométricos cunha condutividade térmica definida. “Mediante a aplicación do campo eléctrico puidemos controlar a concentración local de ións de osíxeno no material, que actúan como unha barreira para a propagación dos fonóns, determinando a súa condutividade térmica”, detalla Marcel Claro, outro dos autores do traballo. Ademais do equipo liderado por Rivadulla no CiQUS, a investigación tamén contou coa colaboración dos profesores Carlos Vázquez e Arturo López Quintela, do Instituto de Materiais (iMATUS), tamén da USC.
Con esta tecnoloxía, os investigadores conseguiron aplicar campos eléctricos de millóns de voltios por centímetro, o que permite desprazar e acumular os ións negativos de osíxeno dentro do material, creando barreiras artificiais para a propagación de calor. “Optimizando a composición do óxido conseguimos que o proceso —a alternancia entre os distintos estados térmicos— sexa estable no tempo”, explica Noa Varela, primeira autora do estudo.
Ademais, “as áreas con condutividade térmica reducida manteñen a súa estabilidade en condicións ambientais, pero poden reverterse mediante un leve quecemento en aire, o que permite reutilizar o material repetindo o proceso de modificación da condutividade térmica cantas veces se queira“, conservando deste modo a funcionalidade dos dispositivos tras múltiples ciclos.
Electrónica térmica
O traballo publicado na revista Advanced Materials supón un novo paso cara a xestión da calor na microelectrónica, abrindo a porta ao deseño de compoñentes que disipen a calor de forma controlada en diversos dispositivos e sistemas de almacenamento de enerxía. O obxectivo da liña de traballo deste grupo de investigación é conseguir sistemas capaces de controlar o fluxo de calor en nano e microestruturas coa mesma eficacia que os circuítos eléctricos manexan a corrente. Neste contexto, os transistores térmicos que conseguen controlar o transporte de calor en resposta a estímulos eléctricos están chamados a xogar un papel clave na próxima xeración de dispositivos.
Referencia: Electric-Field Control of the Local Thermal Conductivity in Charge Transfer Oxides (Publicado en Advanced Materials)
