Hobbelige oppervlakken met grafeen ertussen zouden helpen de warmte af te voeren in micro-elektronische apparaten van de volgende generatie, volgens wetenschappers van Rice University.

Hun theoretische studies tonen aan dat het verbeteren van de interface tussen galliumnitride-halfgeleiders en diamanten koellichamen fononen - quasideeltjes van geluid die ook warmte transporteren - in staat zou stellen zich efficiënter te verspreiden. Koellichamen worden gebruikt om warmte weg te voeren van elektronische apparaten.

Rijstcomputermodellen vervingen de platte interface tussen de materialen door een nanogestructureerd patroon en voegden een laag grafeen toe, de atoomdikke vorm van koolstof, als een manier om de warmteoverdracht drastisch te verbeteren, zei Rice materiaalwetenschapper Rouzbeh Shahsavari.

Het nieuwe werk van Shahsavari, Rice afgestudeerde student en hoofdauteur Lei Tao en postdoctoraal onderzoeker Sreeprasad Sreenivasan verschenen deze maand in het tijdschrift American Chemical Society ACS toegepaste materialen en interfaces .

Ongeacht de grootte, elektronische apparaten moeten de warmte die ze produceren verspreiden, zei Shahsavari. "Met de huidige trend van constante toename van het vermogen en de miniaturisering van apparaten, efficiënt warmtebeheer is een serieus probleem geworden voor betrouwbaarheid en prestaties, "zei hij. "Vaak, de individuele materialen in hybride nano- en micro-elektronische apparaten functioneren goed, maar de interface van verschillende materialen is de bottleneck voor warmtediffusie."

Galliumnitride is een sterke kandidaat geworden voor gebruik in krachtige, toepassingen bij hoge temperaturen, zoals noodstroomvoorzieningen, motoren, zonneconverters en hybride voertuigen, hij zei. Diamond is een uitstekend koellichaam, maar het atomaire grensvlak met galliumnitride is moeilijk te doorkruisen voor fononen.

De onderzoekers simuleerden 48 verschillende rasterpatronen met vierkante of ronde grafeenpilaren en stemden ze af op fonon-trillingsfrequenties tussen de materialen. Door een dicht patroon van kleine vierkanten in de diamant te laten zinken, bleek een dramatische afname van de thermische grensweerstand tot 80 procent. Een laag grafeen tussen de materialen verminderde de weerstand verder met 33 procent.

Fijnafstemming van de pilaarlengte, maat, vorm, hiërarchie, dichtheid en orde zullen belangrijk zijn, zei Lei.

"Met de huidige en opkomende ontwikkelingen in nanofabricage zoals nanolithografie, het is nu mogelijk om verder te gaan dan de conventionele schaafinterfaces en strategisch gevormde interfaces te creëren die zijn gecoat met nanomaterialen om het warmtetransport aanzienlijk te stimuleren, " zei Shahsavari. "Onze strategie is geschikt voor verschillende andere hybride materialen en biedt nieuwe inzichten om het knelpunt van thermische grensweerstand te overwinnen."

Shahsavari is een assistent-professor civiele en milieutechniek en materiaalwetenschap en nano-engineering.

De onderzoekers gebruikten de Blue Gene-supercomputer en de door de National Science Foundation ondersteunde DAVinCI-supercomputer, die beide worden beheerd door Rice's Center for Research Computing en werden aangeschaft in samenwerking met Rice's Ken Kennedy Institute for Information Technology.