Forsker bruger grafendyner til at holde tingene kølige

(PhysOrg.com) - University of California, Riverside-professor i elektroteknik og formand for materialevidenskab og -teknik Alexander Balandin leder adskillige projekter for at udforske måder at bruge de unikke egenskaber ved grafen-?quilts? som varmeledere i højeffektelektronik.

University of California, Riverside (UCR) professor i elektroteknik og formand for materialevidenskab og ingeniørvidenskab Alexander Balandin leder adskillige projekter for at udforske måder at bruge de unikke egenskaber ved grafen "dyner" som varmeledere i højeffektelektronik.

Grafen er en nyligt opdaget enkeltatom-tyk kulstofkrystal, som afslører mange unikke egenskaber. I Balandins designs, grafen "quilts" (stort område overlappende netværk af grafen flager) vil spille en helt modsat rolle af din bedstemors dyner. De vil fjerne varmen i stedet for at holde på den.

Hans arbejde med grafen varmeledende belægninger til varmefjernelse fra højeffekt gallium-nitrid transistorer bliver finansieret af en nyligt tildelt $420, 000 tilskud fra U.S. Office of Naval Research (ONR). Det sigter mod en eksperimentel proof-of-concept-demonstration, der skal udføres i Balandins Nano-Device Laboratory (NDL).

Ud over ONR -bevillingen, Balandin modtog en ny treårig underkontrakt med Interconnect Focus Center (IFC), baseret på Georgia Institute of Technology, der beskæftiger sig med grafenforbindelser og varmespredere til tredimensionel (3-D) elektronik. Ifølge International Technology Roadmap for Semiconductors, i de næste fem år, op til 80 procent af mikroprocessorkraften vil blive forbrugt af sammenkoblingsledningerne - en driver for søgningen efter nye sammenkoblingsmaterialer og innovative metoder til varmefjernelse.

En anden nylig underentreprise tildelt til Balandin er med Functional Engineered Nano Architectonics (FENA) center baseret på UCLA. I dette center, han undersøger problemerne med energispredning i grafen nanostrukturer og nanoenheder. Kombineret ny finansiering sikret af Balandin i denne måned til de tre projekter overstiger $1 million. Centrenes finansiering kommer fra Semiconductor Research Corporation (SRC) og Defense Advanced Research Project Agency (DARPA).

Det meste af den nuværende forskning om grafen har fokuseret på dets elektroniske egenskaber og grafens potentiale for højhastigheds-nanokredsløb. På grund af sin unikke struktur, elektroner bevæger sig med ekstremt høje hastigheder gennem det.

Balandin fokuserer på en anden af ​​grafens bemærkelsesværdige egenskaber:det er ekstraordinært høj varmeledningsevne, som kan bruges til varmefjernelse i nanoskala og 3-D elektronik. Jo højere hastighed, højere effekttætheder og øget termisk ophold i de avancerede enheder resulterer i udvikling af hot spots, ydeevneforringelse og termisk nedbrud. Balandins foreslåede grafenbaserede tilgang til termisk styring repræsenterer en radikal afvigelse fra konventionelle metoder og kan føre til skabelsen af ​​en ny teknologi til spredning af hot-spot.

Fordi grafen kun er et molekyle tykt, det egnede sig ikke til traditionelle metoder til termisk ledningsevnemåling. Balandin ledede et team af forskere, der først målte det ved hjælp af en original ikke-konventionel teknik i 2008. Proceduren involverede en kontaktfri tilgang på basis af Raman-spektroskopi, der udnyttede den uelastiske spredning af fotoner (lys) af fononer (krystalvibrationer). Den effekt, der blev spredt i grafen, og den tilsvarende temperaturstigning blev detekteret af ekstremt små skift i bølgelængden af ​​lyset spredt fra grafen. Det var tilstrækkeligt til at udtrække værdierne af den termiske ledningsevne gennem en omfattende matematisk procedure.

Balandins forskningsgruppe opdagede, at varmeledningsevnen for store suspenderede grafenplader varierer i området fra omkring 3000 til 5300 W/mK (watt pr. Meter pr. Kelvin) nær stuetemperatur. Det er meget høje værdier, som overstiger kulstofnanorørs (3, 000-3, 500 W/mK) og diamant (1, 000-2, 200 W/mK).

Som et resultat af hans resultater, Balandin har foreslået flere innovative grafen-baserede tilgange til termisk styring, hvilket kan føre til skabelsen af ​​en ny teknologi til lokal afkøling og spredning af hot-spots i de ultrahurtige chips med høj effekttæthed. En detaljeret beskrivelse af Balandins forskning i grafen og termisk styring kan findes i hans inviterede populærvidenskabelige artikel, "Slap af, ” i oktober 2009-udgaven af IEEE spektrum , magasinet for The Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE).