Un team di ricercatori dell'Università di Oxford, L'Università di Delft e l'IBM di Zurigo hanno dimostrato che il grafene può essere utilizzato per costruire sensori di temperatura sensibili e autoalimentati. I risultati aprono la strada alla progettazione di termocoppie altamente sensibili, che potrebbe essere integrato in nanodispositivi e persino cellule viventi.

Sensori di temperatura su chip scalabili, affidabili e installabili in nanodispositivi sono essenziali per la futura gestione termica delle CPU. Determinando il riscaldamento locale in determinati segmenti di una CPU attraverso la distribuzione di monitor di temperatura lungo i punti critici, feedback può essere fornito a un sistema di controllo. In risposta, la gestione termica potrebbe consentire la ridistribuzione del carico termico attraverso il raffreddamento puntuale o la distribuzione del carico, ad esempio tra diversi core di elaborazione, evitando punti caldi e consentendo una maggiore durata del dispositivo oltre a risparmiare energia. Tali sensori di temperatura dovrebbero avere un ingombro ridotto, alta precisione, consumare una quantità minima di energia ed essere compatibile con le tecniche di nanofabbricazione consolidate.

Termometria su chip

Le termocoppie sono un candidato ideale per la termometria a basso costo in quanto sono autoalimentate e relativamente facili da fabbricare. Tendono ad avere piccole variazioni di sensibilità perché il loro segnale deriva dalle proprietà intrinseche del materiale. Tipicamente, le termocoppie sono una combinazione di due materiali con diversi coefficienti Seebeck uniti all'estremità di rilevamento, che consente la misurazione di un accumulo di termotensione tra un rilevamento e un riferimento proporzionale a una differenza di temperatura. Per ottenere la termometria on-chip con le termocoppie convenzionali, normalmente sono necessarie due fasi di fabbricazione separate. Però, le termocoppie che possono essere facilmente integrate nell'attuale integrazione su scala wafer hanno già suscitato interesse, con molteplici sforzi per fabbricare termocoppie in metallo singolo riportati in precedenza. Ancora, queste termocoppie hanno una piccola sensibilità (dell'ordine di 1 μV/K), tendono ad avere un grande ingombro e hanno uno spessore relativamente grande dell'ordine di 100 nanometri.

Grafene

Un team di ricercatori dell'Università di Oxford, La Delft University e l'IBM di Zurigo hanno ora dimostrato che il grafene può essere utilizzato per costruire sensibili, sensori di temperatura monomateriale e autoalimentati. Hanno modellato il grafene, un foglio di atomi di carbonio dello spessore di un atomo, a forma di U, con una gamba larga e una stretta che si unisce all'estremità di rilevamento. Mettendo a punto con attenzione la geometria delle gambe del grafene e sfruttando l'effetto della dispersione di elettroni ai bordi del dispositivo di grafene, il team ha raggiunto una sensibilità massima di ΔS≈39 μV/K.

I risultati potrebbero aprire la strada alla progettazione di termocoppie altamente sensibili con la possibilità di integrazione nelle strutture di van der Waals e nei futuri circuiti di grafene. Inoltre, a causa della natura bioinerte del grafene e della sua stabilità in una varietà di circostanze, queste termocoppie possono essere utilizzate anche come sensori di temperatura in ambienti difficili o sensibili, come le cellule e altri sistemi viventi.