Met grafeen, Onderzoekers van Rutgers hebben een krachtige manier ontdekt om kleine chips te koelen - belangrijke componenten van elektronische apparaten met miljarden transistors per stuk.

"Je kunt grafeen passen, een zeer dunne, tweedimensionaal materiaal dat kan worden geminiaturiseerd, om een ​​hotspot te koelen die voor verwarmingsproblemen zorgt in je chip, zei Eva Y. Andrei, College van Bestuur hoogleraar natuurkunde bij de vakgroep Natuur- en Sterrenkunde. "Deze oplossing heeft geen bewegende delen en is behoorlijk efficiënt voor koeling."

Door het krimpen van elektronische componenten en de overmatige warmte die wordt gegenereerd door hun toenemende vermogen, is de behoefte aan oplossingen voor chipkoeling toegenomen, volgens een door Rutgers geleide studie die onlangs is gepubliceerd in Proceedings van de National Academy of Sciences . Door grafeen te gebruiken in combinatie met een boornitride-kristalsubstraat, de onderzoekers toonden een krachtiger en efficiënter koelmechanisme aan.

"We hebben een arbeidsfactor bereikt die ongeveer twee keer hoger is dan bij eerdere thermo-elektrische koelers, " zei André, die werkt in de School of Arts and Sciences.

De powerfactor verwijst naar de effectiviteit van actieve koeling. Dat is wanneer een elektrische stroom warmte wegvoert, zoals blijkt uit deze studie, terwijl passieve koeling is wanneer warmte zich op natuurlijke wijze verspreidt.

Grafeen heeft grote voordelen. Het is een één atoom dikke laag grafiet, dat is het schilferige spul in een potlood. De dunste vlokken, grafeen, bestaan ​​uit koolstofatomen die zijn gerangschikt in een honingraatrooster dat eruitziet als kippengaas, zei Andrei. Het geleidt elektriciteit beter dan koper, is 100 keer sterker dan staal en verspreidt snel warmte.

Het grafeen wordt geplaatst op apparaten gemaakt van boornitride, die extreem vlak en glad is als een ijsbaan, ze zei. Siliciumdioxide - de traditionele basis voor chips - belemmert de prestaties omdat het elektronen verstrooit die warmte kunnen afvoeren.

In een kleine computer- of smartphonechip, miljarden transistors genereren veel warmte, en dat is een groot probleem, zei Andrei. Hoge temperaturen belemmeren de prestaties van transistors - elektronische apparaten die de stroomstroom regelen en signalen kunnen versterken - en daarom hebben ze koeling nodig.

Huidige methoden omvatten kleine ventilatoren in computers, maar de ventilatoren worden minder efficiënt en gaan kapot, ze zei. Water wordt ook gebruikt voor koeling, maar die omvangrijke methode is gecompliceerd en vatbaar voor lekken die computers kunnen frituren.

"In een koelkast, je hebt compressie die de koeling doet en je circuleert een vloeistof, "Zei Andrei. "Maar het gaat om bewegende delen en een methode om te koelen zonder bewegende delen wordt thermo-elektrische koeling genoemd."

Denk aan thermo-elektrische koeling in termen van het water in een badkuip. Als het bad warm water heeft en u zet het koude water aan, het duurt lang voordat het koude water onder de kraan in het bad diffundeert. Dit is passieve koeling omdat moleculen langzaam in het badwater diffunderen en verdund worden, zei Andrei. Maar als je je handen gebruikt om het water van het koude naar het warme einde te duwen, het koelproces – ook wel convectie of actieve koeling genoemd – gaat veel sneller.

Hetzelfde proces vindt plaats in computer- en smartphonechips, ze zei. Je kunt een stuk draad aansluiten, zoals koper, tot een hete chip en warmte wordt passief afgevoerd, net als in een badkuip.

Stel je nu een stuk metaal voor met warme en koude uiteinden. De atomen en elektronen van het metaal ritsen rond het hete uiteinde en zijn traag aan het koude uiteinde, zei Andrei. Haar onderzoeksteam, in werkelijkheid, toegepaste spanning op het metaal, het sturen van een stroom van het warme einde naar het koude einde. Vergelijkbaar met het geval van actieve koeling in het badkuipvoorbeeld, de stroom spoorde de elektronen aan om de warmte veel efficiënter af te voeren dan via passieve koeling. Grafeen is eigenlijk superieur in zowel zijn passieve als actieve koelcapaciteit. De combinatie van de twee maakt grafeen een uitstekende koeler.

"De elektronica-industrie evolueert naar dit soort koeling, " zei Andrei. "Er is een zeer grote onderzoeksdruk om dit soort koelers op te nemen. De kans is groot dat de grafeenkoeler het gaat winnen. Andere materialen die er zijn, zijn veel duurder, ze zijn niet zo dun en ze hebben niet zo'n hoge powerfactor."

De hoofdauteur van de studie is Junxi Duan, een Rutgers natuurkunde postdoctoraal fellow. Andere auteurs zijn onder meer Xiaoming Wang, een postdoctoraal onderzoeker werktuigbouwkunde van Rutgers; Xinyuan Lai, een student natuurkunde van Rutgers; Guohong Li, een Rutgers natuurkundig onderzoeksmedewerker; Kenji Watanabe en Takashi Taniguchi van het National Institute for Materials Science in Tsukuba, Japan; Mona Zebarjadi, een voormalige Rutgers-professor werktuigbouwkunde die nu aan de Universiteit van Virginia werkt; en Andrei. Zebarjadi heeft eerder onderzoek gedaan naar elektronische koeling met behulp van thermo-elektrische apparaten.