Low cross-plane thermal conductivity of $\kappa$-Ga$_2$O$_3$ thin films

Warmte is een meedogenloze reiziger. In de vaste materialen die onze elektronica vormen, beweegt het niet als een vloeistof, maar als een trillingsgolf die door het atomaire rooster reist. Wanneer een apparaat werkt, genereert het deze warmte, en als het materiaal die energie niet snel genoeg kan afvoeren, raakt het apparaat oververhit en gaat het defect. Decennialang hebben ingenieurs vertrouwd op een specifieke familie van materialen, genaamd halfgeleiders, om alles van elektriciteitsnetten tot radiosignalen aan te sturen. Onder deze groep is galliumoxide opgekomen als een veelbelovende kandidaat omdat het hoge voltages kan weerstaan en kan functioneren in extreme omgevingen. Echter, net als veel materialen in deze klasse, heeft het moeite met het efficiënt afvoeren van warmte. De uitdaging ligt niet alleen bij het materiaal zelf, maar ook bij de manier waarop het is opgebouwd. Wanneer wetenschappers deze materialen in dunne lagen laten groeien voor gebruik in minuscule elektronische componenten, verandert de manier waarop warmte door hen beweegt. Het wordt een spel van schaal, waarbij de dikte van de laag en de specifieke rangschikking van de atomen bepalen of de warmte vrijelijk stroomt of vast komt te zitten.

Een team onderzoekers aan de Carnegie Mellon University heeft de aandacht gevestigd op een specifieke, minder voorkomende versie van galliumoxide, bekend als kappa-galliumoxide. Hoewel de meer gangbare vorm van dit materiaal al bekendstaat als een slechte warmtegeleider, is deze specifieke versie uniek omdat de atomaire structuur een specif kind type symmetrie mist dat in anderen wel aanwezig is. Deze ontbrekende symmetrie geeft het speciale elektrische eigenschappen die nuttig kunnen zijn voor het creëren van hoogfrequente radioapparaten en geavanceerde sensoren. Maar voordat deze apparaten gebouwd kunnen worden, moesten wetenschappers een cruciale vraag beantwoorden: hoe goed geleidt dit specifieke materiaal warmte wanneer het in een dunne film wordt gemaakt? Het antwoord zou bepalen of het materiaal de intense hitte die tijdens de werking wordt gegenereerd kan overleven, of dat er een compleet nieuwe aanpak voor koeling nodig is.

Om het antwoord te vinden, lieten de onderzoekers zes verschillende monsters van dit materiaal groeien op een saffierbasis, waardoor films ontstonden die varieerden van zeer dun met 159 nanometer tot dikker met 689 nanometer. Vervolgens gebruikten ze een nauwkeurige, contactloze methode om te meten hoe warmte door deze lagen reisde. Door een laser te gebruiken om een minuscuul punt op het oppervlak te verwarmen en een tweede laser om te observeren hoe het oppervlak afkoelde, konden ze de stroom van thermische energie in kaart brengen. De resultaten waren duidelijk en enigszins verrassend. Het materiaal bleek een zeer slechte warmtegeleider te zijn, met waarden variërend van ongeveer 1,8 tot 2,3 watt per meter-kelvin. Om dit in perspectief te plaatsen: dit is aanzienlijk lager dan andere veelgebruikte halfgeleiders in hoogvermogenselektronica, die warmte vele malen beter kunnen geleiden.

Wat de ontdekking bijzonder interessant maakte, was hoe de dikte van de film de resultaten beïnvloedde. Bij veel materialen zorgt het dikker maken van een film ervoor dat warmte gemakkelijker kan stromen, omdat er minder grensvlakken zijn waar de warmtedragende trillingen tegenaan botsen. In deze films zagen de onderzoekers een lichte toename in geleidbaarheid naarmate de films dikker werden, maar de verandering was zeer klein. Dit vertelde hen dat de warmte niet werd geblokkeerd door de randen van de film, maar eerder door het materiaal zelf. De trillingen die warmte dragen, werden verstrooid en vertraagd door de complexe, rommelige rangschikking van atomen binnen het kappa-galliumoxide. De atomen in deze structuur zijn zo gerangschikt dat ze veel interne wrijving veroorzaken voor deze trillingen, waardoor ze snel energie verliezen voordat ze ver kunnen reizen.

Het team testte ook hoe het materiaal zich gedroeg naarmate het heter werd, waarbij de films werden gemeten bij temperaturen oplopend van kamertemperatuur tot 400 Kelvin. Zoals verwacht nam het vermogen om warmte te geleiden af naarmate de temperatuur steeg. Dit komt doordat de atomen bij hogere temperaturen heftiger trillen, wat ertoe leidt dat ze vaker met elkaar botsen en de stroom van warmte verstoren. Dit effect was nog uitgesprokener in de dikkere films. In de dunste films hielp het constante botsen met de grenzen van de film om enige van deze temperatuurgevoeligheid te maskeren, maar de algemene trend bleef hetzelfde: het materiaal wordt minder efficiënt in het verplaatsen van warmte naarmate het heter wordt.

Door hun metingen te vergelijken met gedetailleerde computersimulaties, bevestigden de onderzoekers dat hun bevindingen consistent waren met de natuurwetten die deze atomaire structuren beheersen. De simulaties toonden aan dat de complexe, vervormde vorm van de atoomgroepen in dit materiaal van nature leidt tot langzaam bewegende warmtegolven en frequente botsingen. Dit verklaart waarom het materiaal zo slecht presteert bij het geleiden van warmte in vergelijking met zijn verwanten in de galliumoxidefamilie. De studie concludeert dat hoewel dit materiaal grote belofte inhoudt voor zijn elektrische capaciteiten, de thermische beperkingen een aanzienlijke hindernis vormen. Als ingenieurs dit in de toekomst in apparaten willen gebruiken, zullen ze het waarschijnlijk moeten combineren met andere materialen die als koellichaam kunnen dienen, of nieuwe manieren moeten vinden om de warmte die zich opbouwt te beheren, om te voorkomen dat het apparaat zichzelf van binnenuit kookt.