Door de miniaturisering van elektronica is de krachtige computercapaciteit in de handen van gewone mensen gekomen, maar de voortdurende inkrimping van geïntegreerde schakelingen daagt ingenieurs uit om met nieuwe manieren te komen om oververhitting van componenten tegen te gaan.

Wetenschappers van de Universiteit van Californië, Irvine heeft onlangs een doorbraak gemaakt in het verifiëren van een nieuwe materiaalconfiguratie om koeling te vergemakkelijken. In een studie in het tijdschrift Nanotechnologie , leden van UCI's Nano Thermal Energy Research Group benadrukken de kenmerken van gatenachtig silicium, een computerchipwafel met kleine, verticaal geëtste openingen die werken om warmte naar de gewenste locaties te transporteren.

"We ontdekten dat warmte er de voorkeur aan geeft verticaal door, maar niet lateraal over gatenhoudend silicium te reizen, wat betekent dat het materiaal de warmte effectief van lokale hotspots naar on-chip koelsystemen in verticale richting kan verplaatsen, terwijl de noodzakelijke temperatuurgradiënt voor thermo-elektrische juncties in laterale richting behouden blijft, " zei corresponderende auteur Jaeho Lee, UCI-assistent-professor werktuigbouwkunde en ruimtevaarttechniek.

"Deze innovatie zou mogelijk ideaal kunnen zijn om elektronische apparaten zoals smartphones koel te houden tijdens gebruik, " zei hoofdauteur Zongqing Ren, een afstudeeronderzoeker in de NTERG.

Hij zei dat laboratoriumsimulaties hebben aangetoond dat de koelingseffectiviteit van gatenachtig silicium minstens 400 procent beter is dan die van chalcogeniden. verbindingen die gewoonlijk worden gebruikt in thermo-elektrische koelapparaten.

Het holle siliciumonderzoek van het laboratorium is een vervolg op een studie gepubliceerd in Natuurcommunicatie begin 2017 waarin Lee, als hoofdauteur, en zijn op UC Berkeley gebaseerde medewerkers gebruikten siliciumgaasmateriaal op nanometerschaal om de eigenschappen van fononen te onderzoeken, quasideeltjes die wetenschappers inzicht geven in thermische transportmechanismen.

"We weten dat fononen zowel golfachtig als deeltjesachtig gedrag kunnen vertonen tijdens thermisch transport, "Zei Lee. "Met behulp van mazen met verschillende gatgroottes en afstanden, we waren in staat om complexe thermische transportmechanismen op nanoschaal te verduidelijken."

De kennis die hij uit het eerdere onderzoek had opgedaan, hielp zijn team te begrijpen hoe klein, nekvormige structuren gecreëerd door de geëtste gaten in geperforeerd silicium veroorzaken fonon-terugverstrooiing, een deeltjeseffect dat leidt tot een lage thermische geleidbaarheid in het vlak. Hoge cross-plane thermische geleidbaarheid werd veroorzaakt door fononen met lange golflengte die helpen om warmte weg te voeren.

Lee zei dat het temperatuurprobleem in de elektronica de afgelopen jaren is toegenomen, omdat ontwerpers van microchips een grens lijken te hebben bereikt. Met grotere componenten, fabrikanten kunnen koellichamen gebruiken, vinnen en zelfs ventilatoren om warmte weg te leiden van kritieke hardware. Op de dicht opeengepakte chips van tegenwoordig met miljarden transistors op nanoschaal – vaak ingeklemd in dunne, consumentenproducten in zakformaat – er is geen plaats voor dergelijke koeltechnologieën.

Andere belangrijke punten zijn levensduur en betrouwbaarheid. Halfgeleiderchips worden op veel nieuwe plaatsen ingebed - ze fungeren als sensoren en actuatoren in auto's en apparaten en als knooppunten langs het internet der dingen. Van deze apparaten wordt verwacht dat ze jarenlang en zelfs decennia onafgebroken werken. Langdurige blootstelling aan hitte kan het falen van dergelijke infrastructuur veroorzaken.

"Aan de ene kant, nanotechnologie heeft een hele nieuwe wereld van mogelijkheden geopend, maar aan de andere kant het heeft een groot aantal uitdagingen gecreëerd, " zei Lee. "Het is belangrijk dat we een beter begrip van de fundamenten van thermisch transport blijven ontwikkelen en manieren vinden om de warmteoverdracht op nanoschaal te beheersen."