"Rustig aan!" Dat is een belangrijke richtlijn voor microprocessorchips en een veelbelovende nieuwe oplossing om aan deze eis te voldoen, ligt in het verschiet. Onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben een "procesvriendelijke" techniek ontwikkeld die de koeling van microprocessorchips door koolstofnanobuisjes mogelijk maakt.

Frank Ogletree, een natuurkundige bij de Materials Sciences Division van Berkeley Lab, leidde een onderzoek waarin organische moleculen werden gebruikt om sterke covalente bindingen te vormen tussen koolstofnanobuizen en metalen oppervlakken. Dit verbeterde met een verzesvoudiging van de warmtestroom van het metaal naar de koolstofnanobuisjes, de weg vrijmaken voor sneller, efficiëntere koeling van computerchips. De techniek wordt gedaan door middel van gasdamp- of vloeistofchemie bij lage temperaturen, waardoor het geschikt is voor de productie van computerchips.

"We hebben covalente bindingsroutes ontwikkeld die werken voor oxidevormende metalen, zoals aluminium en silicium, en voor meer edele metalen, zoals goud en koper, " zegt Ogletree, die dienst doet als stafingenieur voor de Imaging Facility bij de Molecular Foundry, een DOE nanoscience-centrum gehost door Berkeley Lab. "In beide gevallen verbeterde de mechanische hechting, zodat de oppervlaktebindingen sterk genoeg waren om een ​​koolstofnanobuis-array van het groeisubstraat te trekken en het transport van warmte over het grensvlak aanzienlijk te verbeteren."

Ogletree is de corresponderende auteur van een paper waarin dit onderzoek wordt beschreven in: Natuurcommunicatie . Het artikel is getiteld "Enhanced Thermal Transport at Covalent Functionalized Carbon Nanotube Array Interfaces." Co-auteurs zijn Sumanjeet Kaur, Nachiket Raravikar, Brett Helms en Ravi Prasher.

Oververhitting is de vloek van microprocessors. Als transistoren opwarmen, hun prestaties kunnen verslechteren tot het punt waarop ze niet langer als transistors functioneren. Nu microprocessorchips dichter opeengepakt worden en de verwerkingssnelheden blijven toenemen, het oververhittingsprobleem doemt steeds groter op. De eerste uitdaging is om warmte uit de chip te geleiden naar de printplaat waar ventilatoren en andere technieken kunnen worden gebruikt voor koeling. Koolstofnanobuisjes hebben een uitzonderlijk hoge thermische geleidbaarheid laten zien, maar hun gebruik voor het koelen van microprocessorchips en andere apparaten werd gehinderd door hoge thermische interfaceweerstanden in nanogestructureerde systemen.

"De thermische geleidbaarheid van koolstofnanobuizen overtreft die van diamant of enig ander natuurlijk materiaal, maar omdat koolstofnanobuizen zo chemisch stabiel zijn, hun chemische interacties met de meeste andere materialen zijn relatief zwak, wat zorgt voor een hoge thermische interfaceweerstand, " zegt Ogletree. "Intel kwam naar de Molecular Foundry om de prestaties van koolstofnanobuisjes in apparaten te verbeteren. Werken met Nachiket Raravikar en Ravi Prasher, die beide Intel-ingenieurs waren toen het project werd gestart, we waren in staat om het contact tussen koolstofnanobuisjes en de oppervlakken van andere materialen te vergroten en te versterken. Dit vermindert de thermische weerstand en verbetert de efficiëntie van het warmtetransport aanzienlijk."

Sumanjeet Kaur, hoofdauteur van de Natuurcommunicatie papier en een expert op het gebied van koolstofnanobuisjes, met hulp van co-auteur en Molecular Foundry-chemicus Brett Helms, gebruikte reactieve moleculen om de koolstof nanobuis/metaal-interface te overbruggen - aminopropyl-trialkoxy-silaan (APS) voor oxidevormende metalen, en cysteamine voor edele metalen. Eerste verticaal uitgelijnde koolstofnanobuisarrays werden gekweekt op siliciumwafels, en dunne films van aluminium of goud werden verdampt op glazen dekglaasjes voor microscoop. De metaalfilms werden vervolgens "gefunctionaliseerd" en men liet ze binden met de koolstofnanobuisarrays. Verbeterde warmtestroom werd bevestigd met behulp van een karakteriseringstechniek ontwikkeld door Ogletree die interface-specifieke metingen van warmtetransport mogelijk maakt.

"Je kunt de interfaceweerstand in een stabiele warmtestroom beschouwen als een extra afstand die de warmte door het materiaal moet stromen, " zegt Kaur. "Met koolstofnanobuisjes, thermische interfaceweerstand voegt ongeveer 40 micron afstand toe aan elke kant van de eigenlijke koolstofnanobuislaag. Met onze techniek, we zijn in staat om de interfaceweerstand te verminderen, zodat de extra afstand bij elke interface ongeveer zeven micron is."

Hoewel de benadering van Ogletree, Kaur en hun collega's hebben het contact tussen een metaal en individuele koolstofnanobuisjes binnen een array aanzienlijk versterkt, een meerderheid van de nanobuisjes in de array kan nog steeds geen verbinding maken met het metaal. Het Berkeley-team ontwikkelt nu een manier om de dichtheid van koolstof nanobuis/metaalcontacten te verbeteren. Hun techniek moet ook toepasbaar zijn op enkel- en meerlagige grafeenapparaten, die met dezelfde koelingsproblemen worden geconfronteerd.

"Een deel van onze missie bij de Molecular Foundry is het helpen ontwikkelen van oplossingen voor technologische problemen die industriële gebruikers ons stellen en die ook fundamentele wetenschappelijke vragen oproepen. " zegt Ogletree. "Bij het ontwikkelen van deze techniek om een ​​reëel technologisch probleem aan te pakken, we hebben ook tools gemaakt die nieuwe informatie opleveren over fundamentele chemie."