科学家探索具有超低介电常数和极高传热性能的半导体新材料

近年来，摩尔定律的发展方向似乎遇到了一些瓶颈。按照此前的预期，集成电路的晶体管数量有望每隔一段时间翻番。但现实是，随着制程的不断演进，热管理已成为了芯片突破的一个重要挑战。 好消息是，弗吉尼亚大学工程学院和西北大学的研究人员们，刚刚打造了一种基于新型聚合物的电路绝缘材料，特点是能够在较小的空间内达成更高的功率。

COF-5 介电层阻抗测量（图自：Nature Materials）

据悉，由弗吉尼亚大学机械与航空工程学系教授 Patrick E. Hopkins 和西北大学化学系教授 Will Dichtel 带领的这支多学科研究小组，正在发明一种有望随着尺寸的不断缩小而保持芯片不发高烧的新型材料。

在今日发表于《自然材料》期刊的一篇文章中，他们隆重介绍了一种将电串扰做到最小化的电绝缘材料，且其具有超低的介电常数（ultra-low-k）。

该材料能够通过控制电流以消除信号串扰，使得电子产品能够进一步突破当前的性能极限。理想情况下，它还能够将电流引起的有害热量从电路中带走。

随着芯片制程不断变小和晶体管密度的不断提升，发热造成的困扰也在成倍增长。为此，Patrick E. Hopkins 教授决定寻找一种超低介电常数的新材料。

尽管此前已经相关领域 探索 了很长一段时间，但除非通过机械工程、化学、材料科学、电气工程等多学科的集思广益，这个目标还是很难单独达成的。

SCITechDaily 指出，Patrick E. Hopkins 教授是该校多功能材料集成计划的领导者之一，并且汇聚了来自多个工程学科的研究人员，以配制出这种具有优异特性的新材料。

研究一作 Ashutosh Giri 表示，化学团队意识到了材料的热特性，接着从更多的维度去 探索 ，而机械与材料团队可以从分子工程水平上去作深入了解。

Will Dichtel 教授补充道，他们正在打造只有一个原子那么厚（简称 2D）的聚合物薄板，并通过在特定的体系结构中对其进行分层，以控制它们的性能。

通过改进生产高质量 2D 聚合物薄膜的方法，研究团队正在积极应用这种新型材料，以满足在致密芯片上让晶体管规模更加密集的小型化要求。

展望未来，这项技术有望在半导体（芯片制造）行业发挥巨大的潜力，因其不仅具有超低介电常数、又具有超高的传热性能。

感兴趣的朋友，可移步至《Nature Materials》查看全文，原标题为《Thermally conductive ultra-low -k dielectric layers based on two-dimensional covalent organic frameworks》。

热不是基本粒子，而是一类粒子的宏观行为。是什么决定了热导率实际上是热的传输，并通过定义我们知道热本质上是相关的障碍,障碍的系统决定了热传输。对于热传导:在气体中，载体是分子在金属晶体中，载流子主要是电子(声子在某些金属系统中也对热导率有很大贡献)。在非金属晶体中，载流子主要是声子。

在半导体中，电子(应该加上空穴)、声子都起作用。另外一个重要的因素是磁热导率，这意味着自旋可以带来额外的熵和热导率，这是目前热传输和磁性的前沿。从理论上讲，声子传热、电子传热等占据了主要地位。声子和热电子的扩散速率由许多因素决定。

微观层面上，分子的热运动引起分子之间的碰撞，导致能量交换。这种类似于“打鼓传花”的物理图像，从宏观上看应该大致对应于材料传热。因此，让我们简要分析一下影响“打鼓传花”物理过程的因素。想到的第一件事就是分子的数量。分子密度越高，越有利于分子碰撞和能量交换。此外，还应与分子量有关。相同能量的吸收，分子量越小，分子的热运动越强烈，也更有利于分子的碰撞和能量交换。

实际上，物质有三种形式:气体、液体和固体。气体的结构最松散，其次是液体。坚固的结构是最紧凑的。结构越松散，它越活跃，传热越快。一般来说，气体优于液体，液体优于固体。金属在固体中导热最快，因为它们有更多的自由电子。不同的金属有不同数量的自由电子和不同的热导率。玻璃、陶瓷等结构比较接近，所以导热性略差。就固体而言，电子在结构中的自由程度决定导热率。 不知道木头和橡胶的结构，但机动性一定很差。热导率最差。

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