Overheating in electronic devices affects how it works and how long it lasts. One of the major challenges is efficiently managing the heat generated by these systems during operation, which involves controlling the thermal conductivity of the materials they comprise. While electric current can be easily manipulated in conventional electronic materials, heat presents a different challenge: phonons, the particles that transport heat in crystalline solids, lack both charge and magnetic moment, making them much harder to control.
Una novedosa técnica desarrollada por investigadores del Centro Singular de Investigación en Química Biolóxica e Materiais Moleculares (CiQUS) permite trazar circuitos térmicos en ciertos óxidos de hierro y cobalto, logrando regular el flujo de calor en áreas muy localizadas de estos materiales. "Mediante esta técnica hemos conseguido reducir la conductividad térmica en regiones micrométricas de diversos materiales hasta un 50%" señala Francisco Rivadulla, director del estudio y Catedrático del Departamento de Química-Física de la Universidade de Santiago de Compostela (USC). Como si se tratase de un grabado a muy pequeña escala, los científicos utilizaron la punta de un microscopio de fuerzas atómicas para aplicar un campo eléctrico muy localizdo sobre la superficie del material y generar patrones micrométricos con una conductividad térmica definida: "mediante la aplicación del campo eléctrico hemos podido controlar la concentración local de iones de oxígeno en el material, que actúan como una barrera para la propagación de los fonones, determinando su conductividad térmica" detalla el Dr. Marcel Claro, otro de los autores del trabajo. Además del equipo liderado por Rivadulla en el CiQUS, la investigación también ha contado con la colaboración de los profesores Carlos Vázquez y Arturo López Quintela, del iMATUS.
Un proceso estable y reversible
Con esta tecnología, los investigadores han conseguido aplicar campos eléctricos de millones de voltios por centímetro, lo que permite desplazar y acumular los iones negativos de oxígeno dentro del material, creando barreras artificiales para la propagación de calor. "Optimizando la composición del óxido conseguimos que el proceso -la alternancia entre los distintos estados térmicos- sea estable en el tiempo" explica Noa Varela, primera autora del estudio: "Las áreas con conductividad térmica reducida mantienen su estabilidad en condiciones ambientales, pero pueden revertirse mediante un leve calentamiento en aire, lo que permite reutilizar el material repitiendo el proceso de modificación de la conductividad térmica cuantas veces se quiera", conservando de este modo la funcionalidad de los dispositivos tras múltiples ciclos.
Electrónica térmica
El trabajo publicado en Advanced Materials supone un nuevo paso hacia la gestión de calor en la microelectrónica, abriendo la puerta al diseño de componentes que disipen el calor de forma controlada en diversos dispositivos y sistemas de almacenamiento de energía. El objetivo general de la línea de trabajo de este grupo de investigación es conseguir sistemas capaces de controlar el flujo de calor en nano y microestructuras con la misma eficacia que los circuitos eléctricos manejan la corriente. En este contexto, los transistores térmicos que consiguen controlar el transporte de calor en respuesta a estímulos eléctricos están llamados a jugar un papel clave en la próxima generación de dispositivos.
Referencia
N. Varela-Domínguez, M. S. Claro, C. Vázquez-Vázquez, M. A. López-Quintela, F. Rivadulla, Electric-Field Control of the Local Thermal Conductivity in Charge Transfer Oxides. Adv. Mater. 2024, 2413045.
https://doi.org/10.1002/adma.202413045
Los autores del estudio (de izq. a dcha.): Marcel Santos, Noa Varela y Francisco Rivadulla | CiQUS