Met de eerste waarneming van thermo-elektrische effecten bij grafeencontacten, Onderzoekers van de Universiteit van Illinois ontdekten dat grafeentransistors een koeleffect op nanoschaal hebben dat hun temperatuur verlaagt.

Onder leiding van professor werktuigbouwkunde en techniek William King en professor elektrotechniek en computertechniek Eric Pop, het team zal zijn bevindingen publiceren in de online-editie van het tijdschrift op 3 april Natuur Nanotechnologie .

De snelheid en grootte van computerchips worden beperkt door de hoeveelheid warmte die ze afvoeren. Alle elektronica voert warmte af doordat de elektronen in de stroom in botsing komen met het apparaatmateriaal, een fenomeen dat resistieve verwarming wordt genoemd. Deze verwarming weegt zwaarder dan andere kleinere thermo-elektrische effecten die een apparaat plaatselijk kunnen koelen. Computers met siliciumchips gebruiken ventilatoren of stromend water om de transistors te koelen, een proces dat veel van de energie verbruikt die nodig is om een ​​apparaat van stroom te voorzien.

Toekomstige computerchips gemaakt van grafeen - koolstofplaten van 1 atoom dik - zouden sneller kunnen zijn dan siliciumchips en op een lager vermogen werken. Echter, een grondig begrip van warmteopwekking en -verdeling in grafeenapparaten is onderzoekers ontgaan vanwege de kleine afmetingen die ermee gemoeid zijn.

Het Illinois-team gebruikte een punt van een atoomkrachtmicroscoop als temperatuursonde om de eerste temperatuurmetingen op nanometerschaal uit te voeren van een werkende grafeentransistor. De metingen brachten verrassende temperatuurverschijnselen aan het licht op de punten waar de grafeentransistor de metalen verbindingen raakt. Ze ontdekten dat thermo-elektrische koelingseffecten sterker kunnen zijn bij grafeencontacten dan resistieve verwarming, daadwerkelijk verlagen van de temperatuur van de transistor.

"In silicium en de meeste materialen, de elektronische verwarming is veel groter dan de
zelfkoelend, " zei King. "Echter, we ontdekten dat in deze grafeentransistors, er zijn gebieden waar de thermo-elektrische koeling groter kan zijn dan de resistieve verwarming, waardoor deze apparaten zichzelf kunnen koelen. Deze zelfkoeling is niet eerder waargenomen bij grafeenapparaten."

Dit zelfkoelende effect betekent dat op grafeen gebaseerde elektronica weinig of geen koeling nodig heeft, het verwekken van een nog grotere energie-efficiëntie en het vergroten van de aantrekkelijkheid van grafeen als vervanging van silicium.

"Grafeenelektronica staat nog in de kinderschoenen, maar onze metingen en simulaties voorspellen dat thermo-elektrische effecten zullen worden verbeterd naarmate de grafeentransistortechnologie en contacten verbeteren ", zei Pop, die ook verbonden is aan het Beckman Institute for Advanced Science, en het micro- en nanotechnologielaboratorium aan de U. of I.

Volgende, de onderzoekers zijn van plan de AFM-temperatuursonde te gebruiken om verwarming en koeling in koolstofnanobuisjes en andere nanomaterialen te bestuderen.