Дырявая плёнка остужает кремний экспресс
Толпа на узкой улице движется медленно, потому что люди натыкаются друг на друга. В кремнии тепло переносится похожими «толчками» — колебаниями атомов, которые называют фононами. Если прорезать в кремниевой плёнке крошечные отверстия, фононы будут натыкаться на них, как пешеходы на столбы, и тепло пойдёт хуже.
Учёные сделали именно это: в плёнке кремния толщиной 40 нанометров (в тысячу раз тоньше человеческого волоса) проделали отверстия диаметром 35 нанометров с шагом 63 нанометра. Отверстия расположены ровно, как соты, потому что их «нарисовал» самоорганизующийся полимер — длинные молекулы, которые сами выстраиваются в узор. Дальше по этому узору вытравили кремний.
Главная хитрость — глубина отверстий. Её можно менять, не трогая ни диаметр, ни шаг. Полностью сквозные отверстия задерживают тепло сильнее всего, а неглубокие — слабее. Так получается «регулятор громкости» для теплового потока: крутишь глубину — меняешь теплопроводность.
Чтобы точно измерить, сколько тепла проходит через такую плёнку, пришлось усовершенствовать старый метод трёх зондов. Обычно мешают контакты между плёнкой и подложкой — они добавляют лишнее сопротивление, как плохие двери на пути толпы. Новый способ учитывает эти «двери» и выдаёт честное значение.
В итоге получилась простая и управляемая технология: дырявый кремний можно настраивать под разные задачи — от охлаждения микросхем до термоэлектрических генераторов, превращающих разницу температур в электричество. Улица с препятствиями оказалась полезной.
Оригинальная аннотация
как её написали авторы, на английском arXiv:2604.14770
Phononic silicon structures have emerged as an integrable and scalable nanosystem for tailoring thermal transport. However, their widespread adoption has been limited by their complex fabrication pathways. Alongside, the reliable characterization of thermal properties in suspended nanostructured films remains challenging, as thermal contact resistances often hinder the accuracy of measurements. In this work, we demonstrate a clear and controllable reduction of thermal conductivity in nanopatterned silicon membranes. A block copolymer self-assembly approach is employed to fabricate nanoholed silicon films with a pitch of 63 nm and hole diameters of 35 nm. Additionally, we introduce an extension of the three-probe technique that enables robust, quantitative, and spatially resolved thermal conductivity measurements in complex thin-film systems, accounting for thermal contact artifacts. The method is validated through measurements on unpatterned 40 nm-thick silicon thin films between 30 and 350 K, yielding a room-temperature thermal conductivity of 46.5 W/m.K. Finally, we further show that controlled etching of the nanoholes provides a powerful means to tune thermal transport in the overall studied temperature range, establishing hole etch depth control as an effective parameter in phononic silicon. Specifically, a fivefold reduction in thermal conductivity is achieved, reaching 7.3 W/m.K for fully etched-through membranes at room temperature.
Отверстия в кремнии делают не сверлом, а с помощью полимера, который сам собирается в узор из шестиугольников — как пчелиные соты, только в тысячу раз мельче.