Videnskab
 science >> Videnskab >  >> nanoteknologi

Hvordan grafen kunne afkøle smartphone, computer og andre elektronikchips

grafen, et et-atom-tykt lag grafit, består af kulstofatomer arrangeret i et bikagegitter. Kredit:OliveTree/Shutterstock

Med grafen, Rutgers-forskere har opdaget en kraftfuld måde at afkøle små chips - nøglekomponenter i elektroniske enheder med milliarder af transistorer hver.

"Du kan passe grafen, en meget tynd, todimensionelt materiale, der kan miniaturiseres, at køle et hot spot, der skaber varmeproblemer i din chip, sagde Eva Y. Andrei, Styrelsesrådet professor i fysik ved Institut for Fysik og Astronomi. "Denne løsning har ikke bevægelige dele, og den er ret effektiv til afkøling."

Krympningen af ​​elektroniske komponenter og den overdrevne varme, der genereres af deres stigende effekt, har øget behovet for chip-køleløsninger, ifølge en Rutgers-ledet undersøgelse offentliggjort for nylig i Proceedings of the National Academy of Sciences . Ved at bruge grafen kombineret med et bornitrid krystalsubstrat, forskerne demonstrerede en mere kraftfuld og effektiv kølemekanisme.

"Vi har opnået en effektfaktor, der er omkring to gange højere end i tidligere termoelektriske kølere, " sagde Andrei, der arbejder på Kunst- og Videnskabsskolen.

Effektfaktoren refererer til effektiviteten af ​​aktiv køling. Det er når en elektrisk strøm fører varme væk, som vist i denne undersøgelse, mens passiv køling er, når varmen diffunderer naturligt.

Grafen har store fordele. Det er et et atom-tykt lag af grafit, som er de flagende ting inde i en blyant. De tyndeste flager, grafen, består af kulstofatomer arrangeret i et bikagegitter, der ligner hønsenet, sagde Andrei. Det leder elektricitet bedre end kobber, er 100 gange stærkere end stål og spreder hurtigt varme.

Grafenen er placeret på enheder lavet af bornitrid, som er ekstremt flad og glat som en skøjtebane, hun sagde. Siliciumdioxid – den traditionelle base for chips – hæmmer ydeevnen, fordi den spreder elektroner, der kan transportere varme væk.

I en lille computer- eller smartphone-chip, milliarder af transistorer genererer masser af varme, og det er et stort problem, sagde Andrei. Høje temperaturer hæmmer transistorernes ydeevne – elektroniske enheder, der styrer strømstrømmen og kan forstærke signaler – så de har brug for afkøling.

Nuværende metoder omfatter små blæsere i computere, men ventilatorerne bliver mindre effektive og går i stykker, hun sagde. Vand bruges også til afkøling, men den voluminøse metode er kompliceret og udsat for lækager, der kan stege computere.

"I et køleskab, du har kompression, der afkøler, og du cirkulerer en væske, " sagde Andrei. "Men dette involverer bevægelige dele, og en metode til afkøling uden bevægelige dele kaldes termoelektrisk køling."

Tænk på termoelektrisk køling i form af vandet i et badekar. Hvis karret har varmt vand, og du tænder for det kolde vand, det tager lang tid for det kolde vand under vandhanen at diffundere i karret. Dette er passiv afkøling, fordi molekyler langsomt diffunderer i badevandet og bliver fortyndet, sagde Andrei. Men hvis du bruger dine hænder til at skubbe vandet fra den kolde ende til den varme, køleprocessen – også kendt som konvektion eller aktiv køling – vil være meget hurtigere.

Den samme proces finder sted i computer- og smartphone-chips, hun sagde. Du kan forbinde et stykke ledning, såsom kobber, til en varm chip og varme føres bort passivt, ligesom i et badekar.

Forestil dig nu et stykke metal med varme og kolde ender. Metallets atomer og elektroner glider rundt i den varme ende og er træge i den kolde ende, sagde Andrei. Hendes forskerhold, træde i kræft, påført spænding til metallet, sende en strøm fra den varme ende til den kolde ende. I lighed med tilfældet med aktiv køling i badekarrets eksempel, strømmen ansporede elektronerne til at bortføre varmen meget mere effektivt end via passiv afkøling. Grafen er faktisk overlegen i både sin passive og aktive køleevne. Kombinationen af ​​de to gør grafen til en fremragende køler.

"Elektronikindustrien bevæger sig mod denne form for køling, " sagde Andrei. "Der er en meget stor forskningsindsats for at inkorporere denne slags kølere. Der er en god chance for, at grafenkøleren vinder frem. Andre materialer derude er meget dyrere, de er ikke så tynde, og de har ikke så høj en effektfaktor."

Studiets hovedforfatter er Junxi Duan, en Rutgers fysik post-doc. Andre forfattere inkluderer Xiaoming Wang, en Rutgers maskiningeniør post-doc-stipendiat; Xinyuan Lai, en Rutgers fysik studerende; Guohong Li, en Rutgers fysikforsker; Kenji Watanabe og Takashi Taniguchi fra National Institute for Materials Science i Tsukuba, Japan; Mona Zebarjadi, en tidligere Rutgers maskiningeniørprofessor, som nu er ved University of Virginia; og Andrei. Zebarjadi udførte en tidligere undersøgelse af elektronisk køling ved hjælp af termoelektriske enheder.


Varme artikler