Ujævne overflader, grafen slog varmen i enheder

Ujævne overflader med grafen imellem vil hjælpe med at sprede varme i næste generations mikroelektroniske enheder, ifølge Rice University-forskere.

Deres teoretiske undersøgelser viser, at en forbedring af grænsefladen mellem galliumnitrid-halvledere og diamantkølelegemer ville gøre det muligt for fononer - kvasipartikler af lyd, der også bærer varme - at sprede sig mere effektivt. Køleplader bruges til at transportere varme væk fra elektroniske enheder.

Ris computermodeller erstattede den flade grænseflade mellem materialerne med et nanostruktureret mønster og tilføjede et lag grafen, den atomtykke form af kulstof, som en måde at dramatisk forbedre varmeoverførslen på, sagde rismaterialeforsker Rouzbeh Shahsavari.

Det nye værk af Shahsavari, Ris-kandidatstuderende og hovedforfatter Lei Tao og postdoc-forsker Sreeprasad Sreenivasan dukkede denne måned op i tidsskriftet American Chemical Society ACS anvendte materialer og grænseflader .

Uanset størrelsen, elektroniske enheder skal sprede den varme, de producerer, sagde Shahsavari. "Med den nuværende trend med konstante stigninger i strøm og enhedsminiaturisering, effektiv varmestyring er blevet et alvorligt problem for pålidelighed og ydeevne, sagde han. Ofte, de individuelle materialer i hybride nano- og mikroelektroniske enheder fungerer godt, men grænsefladen mellem forskellige materialer er flaskehalsen for varmediffusion."

Galliumnitrid er blevet en stærk kandidat til brug i højeffekt, højtemperaturapplikationer som uafbrydelige strømforsyninger, motorer, solomformere og hybridbiler, han sagde. Diamant er en fremragende køleplade, men dets atomare grænseflade med galliumnitrid er svært for fononer at krydse.

Forskerne simulerede 48 forskellige gittermønstre med firkantede eller runde grafensøjler og indstillede dem til at matche fononvibrationsfrekvenser mellem materialerne. At synke et tæt mønster af små firkanter ind i diamanten viste et dramatisk fald i termisk grænsemodstand på op til 80 procent. Et lag af grafen mellem materialerne reducerede modstanden yderligere med 33 procent.

finjustering af søjlelængden, størrelse, form, hierarki, tæthed og orden vil være vigtig, sagde Lei.

"Med nuværende og nye fremskridt inden for nanofabrikation som nanolitografi, det er nu muligt at gå ud over de konventionelle høvlegrænseflader og skabe strategisk mønstrede grænseflader belagt med nanomaterialer for at øge varmetransporten markant, "Shahsavari sagde." Vores strategi er modtagelig for flere andre hybridmaterialer og giver ny indsigt til at overvinde flaskehalsen for termisk grænsebestandighed. "

Shahsavari er assisterende professor i civil- og miljøteknik og i materialevidenskab og nanoteknik.

Forskerne brugte Blue Gene-supercomputeren og den National Science Foundation-støttede DAVinCI supercomputer, som begge administreres af Rices Center for Research Computing og blev indkøbt i samarbejde med Rices Ken Kennedy Institute for Information Technology.