Een team van onderzoekers van de Universiteit van Oxford, De Universiteit van Delft en IBM Zürich hebben aangetoond dat grafeen kan worden gebruikt om gevoelige en zelfvoedende temperatuursensoren te bouwen. De bevindingen effenen de weg voor het ontwerp van zeer gevoelige thermokoppels, die kunnen worden geïntegreerd in nano-apparaten en zelfs in levende cellen.

On-chip temperatuursensoren die schaalbaar zijn, betrouwbaar en installeerbaar in nano-apparaten zijn essentieel voor toekomstig thermisch beheer in CPU's. Door de lokale verwarming in bepaalde segmenten van een CPU te bepalen door de verdeling van temperatuurmonitors langs kritieke punten, feedback kan worden gegeven aan een besturingssysteem. In antwoord, thermisch beheer kan de herverdeling van de thermische belasting mogelijk maken door middel van puntkoeling of belastingverdeling, bijvoorbeeld tussen verschillende rekenkernen, het vermijden van hotspots en het mogelijk maken van een langere levensduur van het apparaat en het besparen van energie. Dergelijke temperatuursensoren moeten een kleine voetafdruk hebben, hoge nauwkeurigheid, een minimale hoeveelheid stroom verbruiken en compatibel zijn met gevestigde nanofabricagetechnieken.

Thermometrie op de chip

Thermokoppels zijn een ideale kandidaat voor goedkope thermometrie omdat ze zelfvoorzienend zijn en relatief eenvoudig te fabriceren. Ze hebben meestal kleine variaties in gevoeligheid omdat hun signaal voortkomt uit intrinsieke materiaaleigenschappen. Typisch, thermokoppels zijn een combinatie van twee materialen met verschillende Seebeck-coëfficiënten die aan het detectie-uiteinde zijn samengevoegd, waardoor de meting van een thermospanningsopbouw tussen een detectie en referentie mogelijk is die evenredig is met een temperatuurverschil. Om on-chip thermometrie te bereiken met conventionele thermokoppels, normaal zijn twee afzonderlijke fabricageruns vereist. Echter, thermokoppels die gemakkelijk kunnen worden geïntegreerd in de huidige integratie van waferschaal, hebben al belangstelling gewekt, met meerdere pogingen om enkele metalen thermokoppels te fabriceren die eerder zijn gemeld. Nog, deze thermokoppels hebben een kleine gevoeligheid (in de orde van 1 μV/K), hebben de neiging om een ​​grote voetafdruk te hebben en een relatief grote dikte in de orde van 100 nanometer.

grafeen

Een team van onderzoekers van de Universiteit van Oxford, De Universiteit van Delft en IBM Zürich hebben nu aangetoond dat grafeen kan worden gebruikt om gevoelige, single-materiaal en zelfaandrijvende temperatuursensoren. Ze maakten een patroon van grafeen, een één atoom dik vel koolstofatomen, in een U-vorm, met een brede en een smalle poot die samenkomt aan het voelende uiteinde. Door de geometrie van de grafeenbenen zorgvuldig af te stemmen en het effect van elektronenverstrooiing aan de randen van het grafeenapparaat te benutten, het team behaalde een maximale gevoeligheid van ΔS≈39 μV/K.

De resultaten kunnen de weg vrijmaken voor het ontwerp van zeer gevoelige thermokoppels met de mogelijkheid van integratie in van der Waals-structuren en toekomstige grafeencircuits. In aanvulling, vanwege de bioinerte aard van grafeen en zijn stabiliteit in verschillende omstandigheden, deze thermokoppels kunnen ook worden gebruikt als temperatuursensoren in ruwe of gevoelige omgevingen, zoals cellen en andere levende systemen.