I ricercatori della Rice University hanno utilizzato modelli informatici per determinare il modo migliore per disperdere il calore prodotto da dispositivi microelettronici utilizzando semiconduttori di nitruro di gallio e diamante. Una superficie modellata e uno strato di grafene dello spessore di un atomo hanno aiutato a trasportare i fononi dal semiconduttore al dissipatore di calore. Credito:Lei Tao
Superfici irregolari con grafene in mezzo aiuterebbero a dissipare il calore nei dispositivi microelettronici di prossima generazione, secondo gli scienziati della Rice University.
I loro studi teorici mostrano che il miglioramento dell'interfaccia tra i semiconduttori di nitruro di gallio e i dissipatori di calore in diamante consentirebbe ai fononi - quasiparticelle del suono che trasportano anche il calore - di disperdersi in modo più efficiente. I dissipatori di calore vengono utilizzati per allontanare il calore dai dispositivi elettronici.
I modelli al computer di Rice hanno sostituito l'interfaccia piatta tra i materiali con un modello nanostrutturato e hanno aggiunto uno strato di grafene, la forma spessa di un atomo di carbonio, come un modo per migliorare notevolmente il trasferimento di calore, ha detto lo scienziato dei materiali di riso Rouzbeh Shahsavari.
Il nuovo lavoro di Shahsavari, Lo studente laureato Rice e autore principale Lei Tao e il ricercatore post-dottorato Sreeprasad Sreenivasan sono apparsi questo mese sulla rivista dell'American Chemical Society Materiali e interfacce applicati ACS .
Non importa la dimensione, i dispositivi elettronici devono disperdere il calore che producono, ha detto Shahsavari. "Con l'attuale tendenza al costante aumento della potenza e alla miniaturizzazione dei dispositivi, una gestione efficiente del calore è diventata un problema serio per affidabilità e prestazioni, " ha detto. "Spesso, i singoli materiali nei dispositivi ibridi nano e microelettronici funzionano bene, ma l'interfaccia di materiali diversi è il collo di bottiglia per la diffusione del calore".
Il nitruro di gallio è diventato un forte candidato per l'uso in applicazioni ad alta potenza, applicazioni ad alta temperatura come gruppi di continuità, motori, convertitori solari e veicoli ibridi, Egli ha detto. Diamond è un ottimo dissipatore di calore, ma la sua interfaccia atomica con il nitruro di gallio è difficile da attraversare per i fononi.
Le simulazioni del riso mostrano che il grafene tra nitruro di gallio modellato e diamante offrirebbe un eccellente trasferimento di calore negli ibridi di nuova generazione di nano e microelettronica. Credito:Lei Tao
I ricercatori hanno simulato 48 modelli di griglia distinti con pilastri di grafene quadrati o rotondi e li hanno sintonizzati per abbinare le frequenze di vibrazione dei fononi tra i materiali. L'affondamento di uno schema denso di piccoli quadrati nel diamante ha mostrato una drastica diminuzione della resistenza termica dei bordi fino all'80%. Uno strato di grafene tra i materiali ha ulteriormente ridotto la resistenza del 33%.
Regolazione fine della lunghezza del pilastro, dimensione, forma, gerarchia, densità e ordine saranno importanti, disse Lei.
"Con i progressi attuali ed emergenti nella nanofabbricazione come la nanolitografia, è ora possibile andare oltre le interfacce piallatrici convenzionali e creare interfacce strategicamente modellate rivestite con nanomateriali per aumentare significativamente il trasporto di calore, " Shahsavari ha detto. "La nostra strategia è suscettibile di diversi altri materiali ibridi e fornisce nuove intuizioni per superare il collo di bottiglia della resistenza al confine termico".
Shahsavari è un assistente professore di ingegneria civile e ambientale e di scienza dei materiali e nanoingegneria.
I ricercatori hanno utilizzato il supercomputer Blue Gene e il supercomputer DAVinCI supportato dalla National Science Foundation, entrambi amministrati dal Center for Research Computing di Rice e acquistati in collaborazione con il Ken Kennedy Institute for Information Technology di Rice.
