`

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

Что для вас является метрикой простоя серверной инфраструктуры?

Best CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

Леонид Бараш

Новый «золотой» век для электроники?

+22
голоса

Материалы, которые сжимаются при нагревании, меняя цвет с черного на золотой, могут уберечь дорогую электронику от теплового повреждения.

Ученые создали материалы, которые при нагревании в обычных повседневных условиях равномерно сжимаются во всех направлениях, используя дешевый и промышленно масштабируемый процесс. Это потенциально открывает новую парадигму контроля теплового расширения, которая сделает электронные устройства более устойчивыми к изменениям температуры. Один из способов теплового повреждения электронного оборудования заключается в том, что компоненты расширяются с разной скоростью, что приводит к силам, вызывающим микротрещины и искажения. Пластиковые компоненты и печатные платы особенно подвержены повреждениям из-за изменений объема во время циклов нагрева и охлаждения. Но если бы материал мог быть включен в компоненты, которые компенсируют расширение, напряжения были бы уменьшены, и их срок службы увеличился бы. Всем известен один материал, который ведет себя так: жидкая вода расширяется, когда она замерзает, и лед сжимается, когда она тает. Но жидкая вода и электроника плохо смешиваются - вместо этого требуется твердое вещество с «отрицательным тепловым расширением» (NTE).

Хотя такие материалы известны с 1960-х годов, необходимо было решить ряд проблем, прежде чем концепция станет широко полезной и коммерчески жизнеспособной. С точки зрения как материалов, так и функций эти усилия имели ограниченный успех. Экспериментальные материалы были изготовлены в специализированных лабораторных условиях с использованием дорогостоящего оборудования; и даже в этом случае диапазоны температуры и давления, в которых они демонстрировали бы NTE, находились далеко за пределами обычных повседневных условий. Кроме того, величина расширения и сжатия зависела от направления, что вызывало внутренние напряжения, которые изменяли их структуру, а это означает, что свойство NTE не будет сохраняться дольше, чем несколько циклов нагрева и охлаждения.

Исследовательская группа во главе с проф. Коши Такенака (Koshi Takenaka) из Университета Нагоя смогла преодолеть эти проблемы материаловедения. Вдохновленный серией работ Нориаки Сато (Noriaki Sato), также из Нагойского университета, чье открытие в прошлом году сверхпроводимости в квазикристаллах было признано одним из десяти лучших физических открытий года журналом Physics World, проф. Такенака взял редкоземельный элемент самарий и его сульфид, моносульфид самария (SmS), который, как известно, меняет фазу с «черной» на «золотую» меньшего объема. Задача состояла в том, чтобы настроить диапазон температур, при которых происходит фазовый переход. Решение команды состояло в том, чтобы заменить небольшую часть атомов самария другим редкоземельным элементом, получая Sm1-xRxS, где «R» - это любой из редкоземельных элементов: церий (Ce), неодим (Nd), празеодим (Pr) или иттрий (Y).

Фракция х, используемая командой, обычно составляла 0,2, за исключением иттрия. Эти материалы показали «гигантское отрицательное тепловое расширение» - до 8% при обычном комнатном давлении и полезный диапазон температур (около 150 градусов), в том числе при комнатной температуре и выше. Здесь церий является звездным кандидатом, потому что он относительно дешевый.

Природа фазового перехода такова, что материалы могут быть напылены кристаллами очень маленьких размеров порядка микрона на поверхности без потери их свойства отрицательного расширения. Это увеличивает диапазон промышленного применения, особенно в электронике.

В то время как инженерные достижения группы Университета Нагоя впечатляют, с точки зрения фундаментальной физики, как работает отрицательное расширение, это увлекательно. Во время черно-золотого перехода кристаллическая структура остается той же самой, но атомы размещаются ближе друг к другу: размер элементарной ячейки становится меньше, потому что (как это очень вероятно, но, возможно, еще не определено на 100%) электронная структура атомов самария изменяется и они становятся меньше. Это процесс внутриатомного переноса заряда, называемый «валентным переходом» или «валентной флуктуацией» внутри атомов самария. «У меня сложилось впечатление, - говорит профессор Такенака, - что экспериментально подтверждена корреляция между объемом решетки и электронной структурой самария для этого класса сульфидов».

Более конкретно, в черной (с более низкой температурой) фазе электронная конфигурация атомов самария имеет вид (4f)6, что означает, что на их внешней оболочке 6 электронов на f-орбиталях (с заполненными s, p и d орбиталями), в то время как в золотой фазе электронная конфигурация имеет вид (4f)5(5d)1 - электрон перешел с орбитали 4f на орбиталь 5d. Хотя более высокая оболочка начинает заполняться вследствие принципа Паули, что во втором случае размер атома меньше, что приводит к уменьшению размера кристалла и отрицательному расширению.

Но это только часть фундаментальной картины. В черной фазе сульфид самария и его легированные ответвления являются изоляторами - они не проводят электричество; в то время как в золотой фазе они превращаются в проводники (то есть металлы). Это говорит о том, что во время черно-золотого фазового перехода зонная структура всего кристалла влияет на валентный переход внутри атомов самария. Хотя никто не делал теоретических расчетов для легированных сульфидов самария, сделанных группой проф. Такенака, предыдущее теоретическое исследование показало, что, когда электроны покидают орбиталь атомов самария, они оставляют позади положительно заряженную «дыру», которая сама отталкивает от дырок в зоне проводимости кристалла, влияющих на их обменное взаимодействие. Это становится кооперативным эффектом, который затем управляет валентным переходом в атомах самария. Точный механизм, однако, не совсем понятен.

Тем не менее, достижения группы, возглавляемая Нагойским университетом, является инженерным, а не чисто физическим. «Для многих инженеров важна возможность использовать материал для уменьшения поломок устройства из-за теплового расширения, - объясняет проф. Такенака. - Короче говоря, в определенном температурном диапазоне, в котором работает предполагаемое устройство, обычно интервал в десятки градусов или более, объем должен постепенно уменьшаться с ростом температуры и увеличиваться с падением температуры. Конечно, я также знаю, что объемное расширение при охлаждении во время фазового перехода [например, замерзания воды] является распространенным случаем для многих материалов, однако, если объем изменяется в очень узком температурном диапазоне, то это не представляет никакой технической ценности, являясь результатом материаловедения, а не чистой физики».

Новый «золотой» век для электроники?

Возможно, это даже предвещает новый "золотой" век для электроники


Вы можете подписаться на наш Telegram-канал для получения наиболее интересной информации

+22
голоса

Напечатать Отправить другу

Читайте также

 
 
Реклама

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT