Diamant lysner ydeevnen af ​​elektroniske enheder

(PhysOrg.com) - Selvom diamanter kan være en piges bedste ven, de er også elsket af videnskabsmænd, der arbejder på at forbedre ydeevnen af ​​elektroniske enheder.

To nye undersøgelser udført ved det amerikanske energiministeriums Argonne National Laboratory har afsløret en ny vej for materialeforskere til at bruge tidligere uudforskede egenskaber af nanokrystallinske diamant tynde film. Mens egenskaberne ved diamant tynde film er relativt velforståede, den nye opdagelse kunne dramatisk forbedre ydeevnen af ​​visse typer integrerede kredsløb ved at reducere deres "termiske budget."

I årtier, ingeniører har søgt at bygge mere effektive elektroniske enheder ved at reducere størrelsen af ​​deres komponenter. I færd med at gøre det, imidlertid, forskere har nået en "termisk flaskehals, " sagde Argonne nanoforsker Anirudha Sumant.

I en termisk flaskehals, den overskydende varme, der genereres i enheden, forårsager uønskede virkninger, der påvirker dens ydeevne. "Medmindre vi kommer op med innovative måder at suge varmen ud af vores elektronik, vi sidder stort set fast med denne flaskehals, "forklarede Sumant.

De usædvanligt attraktive termiske egenskaber ved diamant tynde film har fået videnskabsmænd til at foreslå at bruge dette materiale som en køleplade, der kunne integreres med en række forskellige halvledende materialer. Imidlertid, aflejringstemperaturerne for diamantfilmene overstiger typisk 800 grader Celsius - omkring 1500 grader Fahrenheit, hvilket begrænser gennemførligheden af ​​denne tilgang.

"Ledens navn er at producere diamantfilm ved den lavest mulige temperatur. Hvis jeg kan dyrke filmene ved 400 grader, det gør det muligt for mig at integrere dette materiale med en lang række andre halvledermaterialer, " sagde Sumant.

Ved at bruge en ny teknik, der ændrede afsætningsprocessen af ​​diamantfilmene, Sumant og hans kolleger ved Argonne's Center for Nanoscale Materials var i stand til både at reducere temperaturen til tæt på 400 grader Celsius og at justere de termiske egenskaber af diamantfilmene ved at kontrollere deres kornstørrelse. Dette tillod den endelige kombination af diamanten med to andre vigtige materialer:grafen og galliumnitrid.

Ifølge Sumant, diamant har meget bedre varmeledningsegenskaber end silicium eller siliciumoxid, som traditionelt blev brugt til fremstilling af grafenanordninger. Som et resultat af bedre varmefjernelse, grafenenheder fremstillet på diamant kan opretholde meget højere strømtætheder.

I den anden undersøgelse, Sumant brugte den samme teknologi til at kombinere diamant tynde film med galliumnitrid, som bruges i vid udstrækning i højeffekt lysemitterende enheder (LED). Efter aflejring af en 300 nm tyk diamantfilm på et galliumnitridsubstrat, Sumant og hans kolleger bemærkede en betydelig forbedring i den termiske ydeevne. Fordi en forskel inden for et integreret kredsløb på blot et par grader kan forårsage en mærkbar ændring i ydeevnen, han kaldte dette resultat "bemærkelsesværdigt".

"Den fælles forbindelse mellem disse eksperimenter er, at vi finder nye måder at sprede varme mere effektivt og samtidig bruge mindre energi, som er nøglen, " sagde Sumant. "Disse processer er afgørende for industrien, da de leder efter måder at overvinde konventionelle grænser for halvledende kredsløb og forfølge den næste generation af elektronik."

Resultaterne af de to undersøgelser blev rapporteret i Nano bogstaver og Avancerede funktionelle materialer . Begge disse undersøgelser blev udført i samarbejde med prof. Alexander Balandin ved University of California-Riverside og hans kandidatstuderende Jie Yu, Guanxiong Liu og Dr. Vivek Goyal, en nylig ph.d. bestå.

Finansiering til forskningen udført ved Center for Nanoscale Materials blev leveret af programmet Basic Energy Sciences fra US Department of Energy's Office of Science.