Фемтосекундные лазеры создают наноструктуры для управления теплом в 1000 раз быстрее

Японские исследователи представили метод, который позволяет в тысячу раз быстрее создавать наноструктуры для управления теплопроводностью в тонкоплёночных материалах. Технология использует фемтосекундные лазеры для нанесения параллельных нанобороздок на кремний.

Изготовление и структурная характеристика fs-LIPSS на кремнии. Автор: Advanced Functional Materials (2025).

Управление переносом тепла — ключевая задача для развития микроэлектроники и квантовых технологий. Один из перспективных подходов — фононная инженерия, где специальные наноструктуры рассеивают фононы (квазичастицы, переносящие тепло в твёрдых телах). Однако существующие методы создания таких структур, например, электронно-лучевая литография, слишком медленные и дорогие для массового производства.

Команда под руководством доцента Бёнги Кима и профессора Кадзуёси Фусино́бу из Токийского научного института предложила решение. Их метод, описанный в журнале Advanced Functional Materials, основан на лазерной абляции. Фемтосекундный лазер формирует на поверхности кремния периодические структуры (fs-LIPSS) — высокооднородные нанобороздки, расстояние между которыми сравнимо со средней длиной свободного пробега фононов.

Автор: Advanced Functional Materials (2025).

Эти структуры в сочетании с традиционным сухим травлением для настройки толщины слоя значительно снижают теплопроводность материала, что подтверждено измерениями. Численное моделирование показало, что эффект достигается именно за счёт ограничения пути фононов.

Ключевое преимущество — скорость. Процесс fs-LIPSS более чем в 1000 раз быстрее электронно-лучевой литографии, сохраняя при этом наноразмерное разрешение. Технология не требует масок и фоторезистов, совместима со стандартными КМОП-процессами и легко масштабируется до размеров целой кремниевой пластины.

«Наши результаты — важная веха на пути от фундаментальных исследований к реальным применениям. Мы ожидаем, что этот метод ускорит развитие технологий, где критически важен тепловой менеджмент: высокопроизводительные вычисления, преобразование энергии на чипе и квантовые устройства», — отметил Бёнги Ким.

Эта работа открывает путь к массовому производству наноструктур для управления теплом, что необходимо для создания более производительных и энергоэффективных устройств следующего поколения.

Больше информации: Hiroki Hamma et al, Scalable Thermal Engineering via Femtosecond Laser‐Direct‐Written Phononic Nanostructures, Advanced Functional Materials (2025). DOI: 10.1002/adfm.202525269