Holder køligt med kvantebrønde

Forskere fra University of Tokyo har annonceret en ny tilgang til elektrisk køling uden behov for bevægelige dele. Ved at påføre en forspænding til kvantebrønde lavet af halvlederen aluminium galliumarsenid, elektroner kan fåes til at afgive noget af deres varme i en proces, der kaldes "evaporativ køling". Enheder baseret på dette princip kan føjes til elektroniske printkort ved hjælp af konventionelle halvlederfremstillingsmetoder for at hjælpe smartphones og bærbare computere med at undgå ydeevneproblemer forårsaget af høje temperaturer.

Som smartphones, tabletter, og bærbare computere bliver mindre og mere kraftfulde, muligheden for overophedning bliver en stadig mere presserende bekymring. Aktuelt tilgængelige blæsere larmer, omfangsrig, og har bevægelige dele, der kan svigte. Nu, forskere ved Institut for Industrividenskab, University of Tokyo har introduceret en ny, solid state-løsning lavet af halvledere, der nemt kan laves direkte til smartphones eller bærbare computere.

"Moderne bærbare enheder har muliggjort den nuværende informationsrevolution, " forklarer en af ​​de første medforfattere, Marc Bescond. "Imidlertid, denne miniaturisering kommer med iboende udfordringer fra den producerede spildvarme. Vores nye system tillader on-chip køling ved hjælp af standard halvlederfremstillingsprocesser."

Kvantebrønde er strukturer i nanoskala, der er små nok til at fange elektroner. Den type kvantebrønd, der bruges i denne forskning, kaldes en asymmetrisk dobbeltbarriere heterostruktur. I disse enheder, meget smalle galliumarsenidbrønde er adskilt af lag af aluminium galliumarsenid. Når den påførte forspænding er lig med energien af ​​kvanteniveauet inde i brønden, elektroner kan bruge resonant tunneling til nemt at passere gennem en barriere. Imidlertid, kun elektronerne med høj kinetisk energi vil være i stand til at fortsætte forbi en anden barriere. Da de "varmere" hurtigt bevægende elektroner undslipper, mens de "kølere" langsomme elektroner bliver fanget, enheden bliver koldere.

Denne "evaporative køling" er analog med den proces, der får dig til at føle dig kold, når du træder ud af en swimmingpool. Vandmolekylerne med mest termisk energi er de første til at fordampe fra din hud, tager deres varme med sig.

"Vi har opnået elektronkøling på op til 50 grader celsius under omgivende forhold. Disse resultater gør vores kvantebrøndsenheder lovende for omfattende varmestyring i smarte enheder, " siger seniorforfatter Kazuhiko Hirakawa. "Fremtidige smartphones kan komme med interne kredsløb fyldt med endnu flere komponenter, så længe de også har nogle af disse kølende kvantebrønde."

Værket er udgivet i Naturkommunikation som "Evaporativ elektronkøling i asymmetriske dobbeltbarriere-halvlederheterostrukturer."