Varmeledende krystaller kan hjælpe computerchips med at holde sig kølige

Hvis din bærbare computer eller mobiltelefon begynder at føles varm efter at have spillet timevis med videospil eller kørt for mange apps på én gang, disse enheder gør faktisk deres arbejde.

At piske varmen væk fra kredsløbet i en computers indre til det ydre miljø er kritisk:Overophedede computerchips kan få programmer til at køre langsommere eller fryse, sluk enheden helt ned eller forårsage permanent skade.

Da forbrugerne efterspørger mindre, hurtigere og mere kraftfulde elektroniske enheder, der trækker mere strøm og genererer mere varme, spørgsmålet om varmestyring er ved at nå en flaskehals. Med den nuværende teknologi, der er en grænse for mængden af ​​varme, der kan spredes indefra og ud.

Forskere ved University of Texas i Dallas og deres samarbejdspartnere ved University of Illinois i Urbana-Champaign og University of Houston har skabt en potentiel løsning, beskrevet i en undersøgelse offentliggjort online 5. juli i tidsskriftet Videnskab .

Bing Lv (udtales "kærlighed"), assisterende professor i fysik ved School of Natural Sciences and Mathematics ved UT Dallas, og hans kolleger producerede krystaller af et halvledende materiale kaldet borarsenid, som har en ekstrem høj varmeledningsevne, en egenskab, der beskriver et materiales evne til at transportere varme.

"Varmestyring er meget vigtig for industrier, der er afhængige af computerchips og transistorer, " sagde Lv, en tilsvarende forfatter til undersøgelsen. "For højtydende, lille elektronik, vi kan ikke bruge metal til at aflede varme, fordi metal kan forårsage kortslutning. Vi kan ikke anvende køleventilatorer, fordi de optager plads. Det, vi har brug for, er en billig halvleder, der også spreder en masse varme."

De fleste af nutidens computerchips er lavet af grundstoffet silicium, et krystallinsk halvledende materiale, der gør et passende arbejde med at sprede varme. Men silicium, i kombination med anden køleteknologi indbygget i enheder, kan kun klare så meget.

Diamant har den højeste kendte varmeledningsevne, omkring 2, 200 watt per meter-kelvin, sammenlignet med omkring 150 watt per meter-kelvin for silicium. Selvom diamant lejlighedsvis er blevet inkorporeret i krævende varmeafledningsapplikationer, omkostningerne ved naturlige diamanter og strukturelle defekter i menneskeskabte diamantfilm gør materialet upraktisk til udbredt brug i elektronik, sagde Lv.

I 2013 forskere ved Boston College og Naval Research Laboratory offentliggjorde forskning, der forudsagde borarsenid potentielt kunne fungere lige så godt som diamant som en varmespreder. I 2015 Lv og hans kolleger ved University of Houston producerede med succes sådanne borarsenidkrystaller, men materialet havde en forholdsvis lav varmeledningsevne, omkring 200 watt per meter-kelvin.

Siden da, Lvs arbejde på UT Dallas har fokuseret på at optimere krystaldyrkningsprocessen for at øge materialets ydeevne.

"Vi har arbejdet på denne forskning i de sidste tre år, og har nu fået varmeledningsevnen op på omkring 1, 000 watt per meter-kelvin, som kun er næst efter diamant i bulkmaterialer, " sagde Lv.

Lv arbejdede sammen med postdoc Sheng Li, medforfatter af undersøgelsen, og fysik doktorand Xiaoyuan Liu, også en undersøgelsesforfatter, at skabe de høje termiske ledningsevnekrystaller ved UT Dallas ved hjælp af en teknik kaldet kemisk damptransport. Råvarerne – grundstofferne bor og arsen – placeres i et kammer, der er varmt i den ene ende og koldt i den anden. Inde i kammeret, et andet kemikalie transporterer bor og arsen fra den varme ende til den køligere ende, hvor grundstofferne kombineres og danner krystaller.

"For at springe fra vores tidligere resultater på 200 watt pr. meter-kelvin op til 1, 000 watt per meter-kelvin, vi skulle justere mange parametre, inklusive de råvarer, vi startede med, kammerets temperatur og tryk, selv den type slange, vi brugte, og hvordan vi rensede udstyret, " sagde Lv.

David Cahill og Pinshane Huangs forskningsgrupper ved University of Illinois i Urbana-Champaign spillede en nøglerolle i det nuværende arbejde, studere defekter i borarsenid-krystallerne ved state-of-the-art elektronmikroskopi og måle den termiske ledningsevne af de meget små krystaller produceret ved UT Dallas.

"Vi måler den termiske ledningsevne ved hjælp af en metode udviklet i Illinois i løbet af de sidste dusin år kaldet 'tid-domæne termoreflektans' eller TDTR, " sagde Cahill, professor og leder af Institut for Materialevidenskab og en tilsvarende forfatter til undersøgelsen. "TDTR gør det muligt for os at måle den termiske ledningsevne af næsten ethvert materiale over en bred vifte af forhold og var afgørende for succesen med dette arbejde."

Måden varme spredes i borarsenid og andre krystaller er forbundet med materialets vibrationer. Mens krystallen vibrerer, bevægelsen skaber energipakker kaldet fononer, som kan opfattes som kvasipartikler, der bærer varme. Lv sagde, at de unikke egenskaber ved bor-arsenid-krystaller - inklusive masseforskellen mellem bor- og arsen-atomerne - bidrager til fononernes evne til at rejse mere effektivt væk fra krystallerne.

"Jeg tror, ​​at borarsenid har et stort potentiale for fremtidens elektronik, " sagde Lv. "Dens halvledende egenskaber er meget sammenlignelige med silicium, Derfor ville det være ideelt at inkorporere borarsenid i halvledende enheder."

Lv sagde, at mens grundstoffet arsen i sig selv kan være giftigt for mennesker, når det er inkorporeret i en forbindelse som borarsenid, materialet bliver meget stabilt og ugiftigt.

Det næste trin i arbejdet vil omfatte at prøve andre processer for at forbedre væksten og egenskaberne af dette materiale til store applikationer, sagde Lv.