Predicciones sobre la gestión del calor en materiales nuevos con aplicación en la electrónica de potencia
Gran parte de la pérdida de eficiencia de los dispositivos de potencia modernos se debe a una gestión deficiente de la temperatura a escalas micro y nanoscópicas, lo cual menoscaba el rendimiento y la longevidad de los componentes. Para aumentar su eficiencia energética se están desarrollando nuevas tecnologías basadas en níquel estaño circonio (ZrNiSn), nitruro de galio (GaN) y carburo de silicio (SiC). La gestión de la temperatura en estas tecnologías guarda una relación estrecha con el diseño de los sustratos sobre los que se fabrican los dispositivos. No obstante, no es posible describir el transporte del calor en sistemas nanoestructurados mediante la física clásica de los sistemas macroscópicos. El proyecto financiado a través del programa Horizonte 2020 de la UE ALMA abordó este reto mediante el desarrollo de métodos nuevos de diseño de materiales y estructuras de gestión térmica que permiten a los ingenieros predecir y comprender el transporte de la energía térmica de un modo cuantitativo a escalas apropiadas para estos dispositivos nuevos. Un nuevo programa informático para predecir el transporte de fonones El equipo al cargo del proyecto creó almaBTE, un programa informático de primer orden y código abierto que calcula de manera predictiva modelos térmicos multiescala. Este programa tiene aplicaciones tanto fundamentales como industriales y ha llamado la atención de cientos de usuarios, gracias además a que puede interactuar con tecnologías de diseño asistido por ordenador. El programa es capaz de predecir el transporte de fonones en aleaciones y cristales masivos, películas delgadas, superredes y estructuras en multiescala con características de tamaño en el abanico que se despliega desde los nanómetros a los micrómetros. En términos más técnicos, almaBTE es un paquete de software que resuelve la ecuación de transporte de Boltzmann dependiente de espacio y tiempo para los fonones sirviéndose para tal fin solo de cantidades calculadas «ab initio» como datos de entrada. En semiconductores y aislantes, el transporte de calor depende sobre todo de los fonones, un cuanto de energía vibratoria que surge de las oscilaciones de los átomos en una red cristalina. Los fonones son las partículas cuánticas que se corresponden con las ondas de la red vibratoria del mismo modo en el que los fotones son las partículas cuánticas que se corresponden con las ondas electromagnéticas. Vía libre para el estudio de nuevos materiales El software almaBTE permitió alcanzar logros antes inimaginables, como la modelización «ab initio» del transporte térmico en un transistor de efecto de campo de aleta (FinFET). «Uno de los logros de los que estoy más orgulloso es la capacidad para predecir la conductividad térmica en sistemas con defectos puntuales», confiesa el Dr. Natalio Mingo, coordinador del proyecto. «Estudiamos ZrNiSn, SiC cúbico, y GaN con defectos y en todas las ocasiones obtuvimos una concordancia extraordinaria con los experimentos y desvelamos procesos físicos nuevos e interesantes». ALMA demostró que es posible predecir de forma cuantitativa y conocer el transporte de calor a escalas apropiadas para los nuevos dispositivos. Según el Dr. Mingo: «ALMA nos ayudó a estudiar materiales nuevos con aplicaciones electrónicas como el SiC y el GaN, o el fósforo negro, y a descubrir facetas hasta ahora desconocidas que hemos publicado en revistas de alto impacto». Es más, el software gratuito almaBTE desarrollado por ALMA ofrece a la comunidad científica la posibilidad de investigar otros sistemas relacionados estrechamente con el problema energético contemporáneo. «Ejemplo de ello son los nuevos materiales termoeléctricos nanoestructurados, recubrimientos térmicos de turbinas, diseños térmicos para memorias de cambio de fase e interconexiones nanoelectrónicas, todo lo cual adolece de problemas de eficiencia energética relacionados con la gestión del calor a micro y nanoescalas», concluye el Dr. Mingo.
Palabras clave
ALMA, térmico, energía, calor, fonón, almaBTE, nitruro de galio (GaN), carburo de silicio (SiC), energía eléctrica
