多孔硅，能否成为电子器件里的“圣杯”？

电子产品小型化已经使得普通人掌握了高性能的计算能力，但是不断缩小的规模无疑是在挑战工程师，他们不得不提出阻止元件过热的新方法。

最近，加利福尼亚大学欧文分校的科学家在验证新材料配置以促进冷却领域取得了突破性的进展。在纳米技术杂志的一项研究中，UCI纳米热能研究小组的成员强调了多孔硅的特性，多孔硅是一种具有小型垂直蚀刻孔口的计算机芯片晶圆，用于将热量传送到所需位置。

“我们发现热量更倾向于垂直穿过多孔硅而不是横向穿过，这意味着该材料可以有效地将热量从局部热点移动到片上冷却系统的垂直方向，同时维持热电结点所需的温度梯度”，通信作者Jaeho Lee，UCI机械与航空航天工程系助理教授说。

第一作者兼NTERG的研究生研究员Zongqing Ren说：“这项创新可能会成为保持智能手机等电子设备不过热的理想选择。”他还表示，实验室模拟也证明，多孔硅的冷却效率至少比热电冷却装置常用的硫族化合物高400％。

该实验室对多孔硅研究是基于2017年初在《自然通讯》（Nature Communications）上发表的一项研究的后续报告，其中Lee作为第一作者和他在加利福尼亚大学伯克利分校的合作者使用纳米级硅网材料研究了声子的性质，让科学家们更深入地了解热传输机制。

Lee说：“我们知道声子在热传输过程中可以表现出波动性和粒子性。使用不同孔径和间距的网格，我们才能够在纳米尺度上阐明复杂的热输运机制。”

早期的研究帮助Lee的团队了解了多孔硅中蚀刻孔产生的小的颈状结构如何引起声子后向散射，这种粒子效应导致平面内热导率降低。而高交叉平面热导率是由长波声子引起的，这有助于散热。

Lee表示，由于微芯片设计人员似乎达到了尺寸的极限，因而关于电子产品的散热问题在过去几年中关注有所增长。随着部件尺寸更大，制造商可以用散热片，甚至风扇来避免关键硬件温度过高。在如今密集包装的芯片上，可携带的便携电子产品中通常有数十亿个纳米级晶体管，而这种新型冷却技术却没有用武之地。

其次的关键问题是寿命和可靠性。半导体芯片正在嵌入许多新的领域，作为汽车和电器中的传感器和执行器，或是物联网中的节点。预计这些设备将连续运行数年甚至数十年。当然，长时间暴露在热源下可能会导致此类基础设施的报废。

Lee说，一方面，纳米技术已经打开了一个全新世界的大门，但另一方面，它创造了许多挑战。我们仍然需要继续深入掌握热传输的基础原理，并找到控制纳米级热传递的方法。