Con la prima osservazione degli effetti termoelettrici ai contatti del grafene, I ricercatori dell'Università dell'Illinois hanno scoperto che i transistor al grafene hanno un effetto di raffreddamento su nanoscala che riduce la loro temperatura.

Guidato dal professore di scienze meccaniche e ingegneria William King e dal professore di ingegneria elettrica e informatica Eric Pop, il team pubblicherà i suoi risultati nell'edizione online anticipata della rivista del 3 aprile Nanotecnologia della natura .

La velocità e le dimensioni dei chip dei computer sono limitate dalla quantità di calore che dissipano. Tutta l'elettronica dissipa il calore a causa della collisione degli elettroni nella corrente con il materiale del dispositivo, un fenomeno chiamato riscaldamento resistivo. Questo riscaldamento supera altri effetti termoelettrici minori che possono raffreddare localmente un dispositivo. I computer con chip di silicio utilizzano ventole o acqua che scorre per raffreddare i transistor, un processo che consuma gran parte dell'energia necessaria per alimentare un dispositivo.

I futuri chip per computer realizzati in grafene – fogli di carbonio spessi 1 atomo – potrebbero essere più veloci dei chip di silicio e funzionare a una potenza inferiore. Però, una conoscenza approfondita della generazione e della distribuzione del calore nei dispositivi al grafene è sfuggita ai ricercatori a causa delle minuscole dimensioni coinvolte.

Il team dell'Illinois ha utilizzato una punta di un microscopio a forza atomica come sonda di temperatura per effettuare le prime misurazioni della temperatura su scala nanometrica di un transistor al grafene funzionante. Le misurazioni hanno rivelato sorprendenti fenomeni di temperatura nei punti in cui il transistor al grafene tocca le connessioni metalliche. Hanno scoperto che gli effetti del raffreddamento termoelettrico possono essere più forti ai contatti del grafene rispetto al riscaldamento resistivo, effettivamente abbassando la temperatura del transistor.

"Nel silicio e nella maggior parte dei materiali, il riscaldamento elettronico è molto più grande del
autoraffreddamento, " disse King. "Tuttavia, abbiamo scoperto che in questi transistor al grafene, ci sono regioni in cui il raffreddamento termoelettrico può essere maggiore del riscaldamento resistivo, che consente a questi dispositivi di raffreddarsi. Questo auto-raffreddamento non è mai stato visto in precedenza per i dispositivi al grafene".

Questo effetto di auto-raffreddamento significa che l'elettronica a base di grafene potrebbe richiedere poco o nessun raffreddamento, generando un'efficienza energetica ancora maggiore e aumentando l'attrattiva del grafene come sostituto del silicio.

"L'elettronica al grafene è ancora agli inizi; tuttavia, le nostre misurazioni e simulazioni prevedono che gli effetti termoelettrici miglioreranno man mano che la tecnologia dei transistor al grafene e i contatti miglioreranno ", ha affermato Pop, che è anche affiliato al Beckman Institute for Advanced Science, e il Laboratorio di Micro e Nanotecnologie presso l'U. of I.

Prossimo, i ricercatori prevedono di utilizzare la sonda di temperatura AFM per studiare il riscaldamento e il raffreddamento nei nanotubi di carbonio e altri nanomateriali.