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Kalkulierte Wärme für Computer

Auf Basis thermodynamischer Theorien kann Jesús Carrete Montaña den Verlauf des Wärmetransports von zahlreichen Materialien berechnen.
Auf Basis thermodynamischer Theorien kann Jesús Carrete Montaña den Verlauf des Wärmetransports von zahlreichen Materialien berechnen.(c) Akos Burg
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Der Physiker Jesús Carrete Montaña erforscht den Wärmetransport von Materialien für die Computerindustrie mithilfe einer selbst entwickelten Software.

Die Leistungsfähigkeit hängt entscheidend von der Temperatur ab – das gilt nicht nur für Menschen, die an einem Sommertag im Büro um die richtige Einstellung der Klimaanlage streiten. Auch in der Mikroelektronik, etwa bei Transistoren von Computern, spielt die richtige Kühlung eine große Rolle: Zu wissen, bei welchen Temperaturen die Bauteile funktionieren, ist für das Ausschöpfen der Leistungsdichte bedeutend. Ist es möglich, den Zeitpunkt und die Dauer eines kritischen Wärmeniveaus zu berechnen und vorauszusagen, kann adäquat reagiert werden. Genau damit beschäftigt sich der 35-jährige Physiker Jesús Carrete Montaña am Institut für Materialchemie der TU Wien – er erforscht den Wärmetransport von Materialien für die elektronische Industrie. Auf Basis der thermodynamischen Theorien des österreichischen Physikers Ludwig Boltzmann hat Carrete Montaña ein Programm entwickelt, das den Verlauf des Wärmetransports von zahlreichen Materialien berechnen kann.

 

Unbekannte Atomstrukturen

Beim Erforschen des Wärmetransports unterscheidet man im Wesentlichen zwei Ebenen. „Den Wärmeverlauf eines Tisches zu berechnen ist relativ einfach. Man spricht dann von der makroskopischen Ebene, wie es etwa auch Autos oder Räume sind“, erklärt Carrete Montaña. Für diesen Bereich gebe es ausreichend Wissen und bewährte Berechnungsmethoden. Bei Mikrobauteilen für die Computerindustrie sei das schon komplexer. Die Materialien, die für die mikroskopische Ebene eingesetzt werden, haben eine Atomstruktur, die nicht immer vollständig bekannt sei. Deshalb werde das Berechnen des Wärmetransports schwierig, so der Wissenschaftler. Vor allem gehe es darum, neue Materialen zu finden, die optimale elektrische Eigenschaften und abhängig von der Anwendung eine hohe oder niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweisen.

„Silizium wird in der Computerindustrie häufig verwendet. Man kann die Anordnung der Atome in jeder Struktur kontrolliert einstellen und deshalb den Wärmetransport gut berechnen“, erklärt Carrete Montaña. Borarsenid (BAs) hingegen ist ein neuer Werkstoff, der weit weniger gut erforscht ist. Künftig könnten die thermischen Eigenschaften von BAs eine wichtige Rolle bei der Herstellung von Bauteilen für die Computerindustrie spielen. Beispielsweise von Transistoren der Gruppe der High Electron Mobility Transistors. Sie könnten mit neuen Werkstoffen, deren Wärmetransport berechenbar ist, noch effizienter arbeiten.

Diese Berechnungen können nun mit einer von Carrete Montaña entwickelten Software durchgeführt werden: „Im Rahmen meiner Forschung berechne ich den Wärmetransport für neue Materialien ausschließlich auf Basis der Quantentheorie und der Boltzmann-Gleichung“, sagt Carrete Montaña. Im Jahr 2014 entwickelte Carrete Montaña die Software ShengBTE. Sie war vorrangig für die wissenschaftliche Nutzung an Universitäten vorgesehen. Daher folgte im Jahr 2018 die vom „Horizon 2020 – Förderprogramm“ der Europäischen Union finanzierte Software AlmaBTE. Sie soll der Industrie für das Berechnen des Wärmetransports von elektronischen Komponenten und zum Konstruieren optimierter Bauteile zur Verfügung stehen.

 

Medaille für die Forschungsarbeit

Für diese Entwicklung erhielt Carrete Montaña von der International Union of Pure and Applied Physics (IUPAP) den Young Scientist Award. Den Preis nimmt er in Form einer Urkunde und einer Medaille Ende Juli in Hongkong persönlich entgegen. Anlässlich der Auszeichnung wird der Wissenschaftler vor internationalem Fachpublikum eine Plenarrede zu seinen Forschungsergebnissen halten. Der Wissenschaftler forscht seit 2016 an der TU Wien und genießt die Vorzüge der Bundeshauptstadt. An Wien schätzt er im Vergleich zu seiner spanischen Heimat die positiven Forschungsbedingungen und die gute Lebensqualität der Stadt. In seiner Freizeit verbessert er in Sprachkursen seine Deutschkenntnisse oder fährt gern mit dem Rad nach Bratislava.

ZUR PERSON

Jesús Carrete Montaña wurde 1984 in Lugo (Spanien) geboren. 2009 absolvierte er sein Physikstudium in Santiago de Compostela, wo er 2012 promovierte. Bis 2016 arbeitete er im französischen Grenoble im Kommissariat für Atomenergie (CEA), seitdem forscht er am Institut für Materialchemie der TU Wien. Im Juli 2019 wird er mit dem Young Scientist Award der IUPAP ausgezeichnet.

Alle Beiträge unter: www.diepresse.com/jungeforschung

("Die Presse", Print-Ausgabe, 13.07.2019)