(PhysOrg.com) -- Hoewel diamanten misschien de beste vriend van een meisje zijn, ze zijn ook geliefd bij wetenschappers die werken aan het verbeteren van de prestaties van elektronische apparaten.

Twee nieuwe onderzoeken die zijn uitgevoerd door het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie hebben een nieuwe weg onthuld voor materiaalwetenschappers om voorheen onontgonnen eigenschappen van dunne nanokristallijne-diamantfilms te gebruiken. Hoewel de eigenschappen van dunne diamantfilms relatief goed worden begrepen, de nieuwe ontdekking zou de prestaties van bepaalde soorten geïntegreerde schakelingen drastisch kunnen verbeteren door hun 'thermisch budget' te verlagen.

Al decenia, ingenieurs hebben geprobeerd efficiëntere elektronische apparaten te bouwen door de grootte van hun componenten te verkleinen. In het proces om dit te doen, echter, onderzoekers hebben een "thermisch knelpunt bereikt, " zei Argonne nanowetenschapper Anirudha Sumant.

In een thermisch knelpunt, de overtollige warmte die in het apparaat wordt gegenereerd, veroorzaakt ongewenste effecten die de prestaties beïnvloeden. "Tenzij we innovatieve manieren bedenken om de warmte van onze elektronica af te zuigen, we zitten zo goed als vast met dit knelpunt, ’ legde Sumant uit.

De ongebruikelijk aantrekkelijke thermische eigenschappen van dunne diamantfilms hebben ertoe geleid dat wetenschappers hebben voorgesteld dit materiaal te gebruiken als een koellichaam dat kan worden geïntegreerd met een aantal verschillende halfgeleidende materialen. Echter, de afzettingstemperaturen voor de diamantfilms zijn typisch hoger dan 800 graden Celsius - ongeveer 1500 graden Fahrenheit, wat de haalbaarheid van deze aanpak beperkt.

"De naam van het spel is om diamantfilms te produceren bij de laagst mogelijke temperatuur. Als ik de films op 400 graden kan laten groeien, het maakt het voor mij mogelijk om dit materiaal te integreren met een hele reeks andere halfgeleidermaterialen, ' zei Sumant.

Door een nieuwe techniek te gebruiken die het depositieproces van de diamantfilms veranderde, Sumant en zijn collega's van Argonne's Center for Nanoscale Materials waren in staat om zowel de temperatuur tot bijna 400 graden Celsius te verlagen als de thermische eigenschappen van de diamantfilms af te stemmen door hun korrelgrootte te regelen. Dit maakte de uiteindelijke combinatie van de diamant met twee andere belangrijke materialen mogelijk:grafeen en galliumnitride.

Volgens Sumant, diamant heeft veel betere warmtegeleidingseigenschappen dan silicium of siliciumoxide, die traditioneel werden gebruikt voor de fabricage van grafeenapparaten. Als gevolg van een betere warmteafvoer, grafeenapparaten die op diamant zijn gefabriceerd, kunnen veel hogere stroomdichtheden aan.

In de andere studie Sumant gebruikte dezelfde technologie om dunne diamantfilms te combineren met galliumnitride, die veel wordt gebruikt in high-power light emitting devices (LED). Na het afzetten van een 300 nm dikke diamantfilm op een galliumnitridesubstraat, Sumant en zijn collega's merkten een aanzienlijke verbetering in de thermische prestaties. Omdat een verschil binnen een geïntegreerde schakeling van slechts enkele graden een merkbare prestatieverandering kan veroorzaken, hij noemde dit resultaat "opmerkelijk".

"De gemeenschappelijke link tussen deze experimenten is dat we nieuwe manieren vinden om warmte effectiever af te voeren met minder energie, wat is de sleutel, Sumant zei. "Deze processen zijn cruciaal voor de industrie omdat ze manieren zoeken om conventionele limieten op halfgeleidende circuits te overwinnen en de volgende generatie elektronica na te streven."

De resultaten van de twee onderzoeken werden gerapporteerd in Nano-letters en Geavanceerde functionele materialen . Beide studies werden uitgevoerd in samenwerking met Prof. Alexander Balandin aan de University of California-Riverside en zijn afgestudeerde studenten Jie Yu, Guanxiong Liu en Dr. Vivek Goyal, een recente Ph.D. afstuderen.

Financiering voor het onderzoek uitgevoerd in het Center for Nanoscale Materials werd verstrekt door het Basic Energy Sciences-programma van het Office of Science van het Amerikaanse ministerie van Energie.