Lyd kan redde kredsløb:Forskere teoretiserer, at akustiske bølger kan afkøle mikroelektronik

(PhysOrg.com) -- "Hot sounds" har én betydning for musikfans og en anden for fysikere. Tæl et team af forskere ved Rice University blandt sidstnævnte, da de har opdaget, at akustiske bølger, der bevæger sig langs bånd af grafen, måske netop er billetten til at fjerne varme fra meget små elektroniske enheder.

En teoretisk model af Rice-fysikeren Boris Yakobson og hans elever har fastslået, at grafen - en enkeltlags bikage af kulstofatomer og fokus for megen materialevidenskab og elektronikforskning - kan transmittere termisk energi i bølger. I betragtning af de elastiske egenskaber af grafen, lange bølger af den akustiske slags virker bedst. Fordi grafens spredningsegenskaber er lave, sådanne bølger kan gå hurtigt og langt, uhindret af hinanden eller af ufuldkommenheder i materialet.

Du ville aldrig høre noget, uanset hvor tæt du lægger dit øre på nanoskalabåndet, sagde Yakobson. Men til forskerne, implikationerne er klare som en klokke.

"På denne skala, grafen lover af fundamentale årsager, " sagde Yakobson, en risprofessor i maskinteknik og materialevidenskab og i kemi og en del af et program, der for nylig blev kåret som nr. 1 i verden for kvaliteten af ​​dets materialevidenskabelige forskning. "Lydens hastighed er den hastighed, hvormed energi kan transporteres væk, fordi varme transporteres, i det væsentlige, gennem vibrationer."

Yakobson og hans medforfattere, tidligere postdoc Enrique Muñoz, nu assisterende professor ved Institut for Matematik og Fysik ved University of Playa Ancha i Chile, og Jianxin Lu, en ris kandidatstuderende, offentliggjorde deres resultater i sidste uge i online-udgaven af ​​tidsskriftet Nano bogstaver.

Muñoz, avisens primære forfatter, sagde den "næsten ballistiske adfærd" af fononer, kvantepartikler betragtes som lydens ækvivalent med lysets fotoner, gør grafenmaterialet 10 gange bedre end kobber eller guld til at lede varme.

Tricket til at gøre sådanne grafen-aktiverede varmerør effektive vil være at finde ud af, hvor varmen går hen, når den når til enden af ​​båndet, et problem Lu fortsætter med at studere for både nanobånd og nanorør. Uden en effektiv grænseflade, de udbredte bølger af fononer ville simpelthen hoppe tilbage.

"Du har brug for et andet medie, " sagde Yakobson. "Det er derfor, jeg siger, at dette er mere et varmerør end et kølelegeme, fordi i den fjerne ende af grafen, du har brug for kontakt med væske, i gas- eller væskefase, så denne bølgeenergi kan spredes."

Strømtætheden af ​​nuværende mikroelektronik ville på en makroskala, være nok til at varme en tekande til kogning på få sekunder. Så det bliver stadig vigtigere at fjerne varme fra følsomme instrumenter og frigive den til luften i en fart.

"Vi har at gøre med en meget høj varmetæthed - måske en kilowatt pr. kvadratcentimeter, " sagde Yakobson. "Når du vil grille, sådan varme er meget nyttig. Men i dette tilfælde, du ville stort set grille din enhed."

At finde en måde at håndtere varmetransmission væk fra stadigt mindre enheder er afgørende for at opretholde Moores lov, som præcist forudsagde (indtil videre), at antallet af transistorer, der kunne placeres på et integreret kredsløb, ville fordobles cirka hvert andet år.

"En anden interessant anvendelse af disse bånd er i konstruktionen af ​​fononbølgeledere, " tilføjede Muñoz. "Graphene bånd kunne være stykker i et nanoskala kredsløb, hvor fononer, i stedet for elektroner, tjene som informationsbærere i en anden computerarkitektur."