Kølende mikroprocessorer med carbon nanorør

"Cool det!" Det er et primært direktiv for mikroprocessorchips, og en lovende ny løsning til at opfylde dette imperativ er på vej. Forskere fra det amerikanske energiministerium (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har udviklet en "procesvenlig" teknik, der ville muliggøre afkøling af mikroprocessorchips gennem kulstofnanorør.

Frank Ogletree, en fysiker fra Berkeley Labs afdeling for materialevidenskab, ledet en undersøgelse, hvor organiske molekyler blev brugt til at danne stærke kovalente bindinger mellem kulnanorør og metaloverflader. Dette forbedrede seks gange varmestrømmen fra metallet til kulstofnanorørene, baner vejen for hurtigere, mere effektiv køling af computerchips. Teknikken udføres gennem gasdamp eller væskekemi ved lave temperaturer, gør den velegnet til fremstilling af computerchips.

"Vi har udviklet kovalente bindingsveje, der virker for oxiddannende metaller, såsom aluminium og silicium, og for mere ædle metaller, såsom guld og kobber, "siger Ogletree, der tjener som stabsingeniør for billedbehandlingsfaciliteten på Molecular Foundry, et DOE -nanovidenskabscenter, der er vært for Berkeley Lab. "I begge tilfælde blev den mekaniske vedhæftning forbedret, så overfladebindinger var stærke nok til at trække et kulstof-nanorør-array ud af dets vækstsubstrat og forbedre transporten af ​​varme over grænsefladen betydeligt."

Ogletree er den tilsvarende forfatter til et papir, der beskriver denne forskning i Naturkommunikation . Artiklen har titlen "Enhanced Thermal Transport at Covalently Functionalized Carbon Nanotube Array Interfaces." Medforfattere er Sumanjeet Kaur, Nachiket Raravikar, Brett Helms og Ravi Prasher.

Overophedning er mikroprocessorernes bane. Når transistorer varmes op, deres ydeevne kan forringes til det punkt, hvor de ikke længere fungerer som transistorer. Med mikroprocessorchips, der bliver tættere pakket, og behandlingshastigheder fortsætter med at stige, overophedningsproblemet bliver stadig større. Den første udfordring er at lede varme ud af chippen og over på printkortet, hvor blæsere og andre teknikker kan bruges til køling. Carbon nanorør har vist usædvanligt høj varmeledningsevne, men deres anvendelse til afkøling af mikroprocessorchips og andre enheder er blevet hæmmet af høje termiske grænseflademodstande i nanostrukturerede systemer.

"Den termiske ledningsevne af kulstof nanorør overstiger diamant eller ethvert andet naturligt materiale, men fordi kulstof nanorør er så kemisk stabile, deres kemiske interaktioner med de fleste andre materialer er relativt svage, hvilket giver høj termisk grænseflademodstand, Ogletree siger. "Intel kom til Molecular Foundry for at forbedre ydeevnen af ​​kulstofnanorør i enheder. Arbejder med Nachiket Raravikar og Ravi Prasher, som begge var Intel-ingeniører, da projektet blev indledt, vi var i stand til at øge og styrke kontakten mellem carbon nanorør og overfladerne af andre materialer. Dette reducerer termisk modstand og forbedrer varmetransporteffektiviteten væsentligt."

Sumanjeet Kaur, hovedforfatter til Naturkommunikation papir og en ekspert i kulstof nanorør, med bistand fra medforfatter og molekylær støberikemiker Brett Helms, brugte reaktive molekyler til at bygge bro mellem kulstofnanorør/metal-grænsefladen - aminopropyl-trialkoxy-silan (APS) til oxiddannende metaller, og cysteamin til ædelmetaller. De første lodret justerede carbon nanorør-arrays blev dyrket på siliciumwafers, og tynde film af aluminium eller guld blev fordampet på dækglas af glasmikroskop. Metalfilmene blev derefter "funktionaliserede" og fik lov til at binde med carbon nanorør-arrays. Forbedret varmestrøm blev bekræftet ved hjælp af en karakteriseringsteknik udviklet af Ogletree, der giver mulighed for grænsefladespecifikke målinger af varmetransport.

"Du kan tænke på grænseflademodstand i steady-state varmestrøm som værende en ekstra afstand, som varmen skal strømme gennem materialet, "Kaur siger." Med carbon nanorør, termisk grænseflademodstand tilføjer noget i retning af 40 mikron afstand på hver side af det faktiske kulstof nanorørlag. Med vores teknik, vi er i stand til at reducere grænseflademodstanden, så den ekstra afstand er omkring syv mikron ved hver grænseflade."

Selvom tilgangen brugt af Ogletree, Kaur og deres kolleger styrket kontakten mellem et metal og individuelle carbon nanorør væsentligt i en matrix, et flertal af nanorørene i arrayet kan stadig ikke forbindes med metallet. Berkeley-teamet udvikler nu en måde at forbedre tætheden af ​​carbon nanorør/metalkontakter. Deres teknik bør også være anvendelig til enkelt- og flerlags grafenenheder, som står over for de samme køleproblemer.

"En del af vores mission på Molecular Foundry er at hjælpe med at udvikle løsninger på teknologiske problemer stillet til os af industrielle brugere, som også rejser grundlæggende videnskabelige spørgsmål, Ogletree siger. "Ved at udvikle denne teknik til at løse et teknologisk problem i den virkelige verden, Vi skabte også værktøjer, der giver nye oplysninger om grundlæggende kemi. "