Circuítos térmicos de precisión micrométrica para previr o sobrequecemento en dispositivos electrónicos

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 o 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, o calor formula un reto distinto: os fonóns, as partículas que transportan o calor en sólidos cristalinos, non posúen carga nin momento magnético, o que dificulta enormemente a súa manipulación.

Unha novidosa técnica desenvolvida no Centro Singular de Investigación en Química Biolóxica e Materiais Moleculares (CiQUS) da 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 Universidade de Santiago de Compostela. 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 iMATUS.

Un proceso estable e reversible
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, que engade: "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 en Advanced Materials supón un novo paso cara a xestión de calor na microelectrónica, abrindo a porta ao deseño de compoñentes que disipen o calor de forma controlada en diversos dispositivos e sistemas de almacenamento de enerxía. O obxectivo xeral 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.