«Вы можете использовать графен, очень тонкий двухмерный материал, который можно миниатюризировать, чтобы охладить горячую точку, которая создает проблемы с нагревом в вашем чипе, — сказала Ева Ю. Андрей, профессор физики факультета физики Совета управляющих. Астрономия. «У этого решения нет движущихся частей, и оно достаточно эффективно для охлаждения».
Согласно исследованию, проведенному Рутгерсом, недавно опубликованному в Proceedings of the National Academy of Sciences, уменьшение размеров электронных компонентов и чрезмерное тепловыделение, генерируемое их увеличивающейся мощностью, повысили потребность в решениях для охлаждения микросхем. Используя графен в сочетании с кристаллической подложкой из нитрида бора, исследователи продемонстрировали более мощный и эффективный механизм охлаждения.«Мы достигли коэффициента мощности, который примерно в два раза выше, чем у предыдущих термоэлектрических охладителей», — сказал Андрей, который работает в Школе искусств и наук.Коэффициент мощности относится к эффективности активного охлаждения.
Вот когда электрический ток уносит тепло, как показано в этом исследовании, а при пассивном охлаждении тепло распространяется естественным образом.У графена есть серьезные преимущества. Это слой графита толщиной в один атом, который представляет собой хлопья внутри карандаша.
По словам Андрея, самые тонкие чешуйки, графен, состоят из атомов углерода, расположенных в сотовой решетке, которая выглядит как проволочная сетка. Он проводит электричество лучше, чем медь, в 100 раз прочнее стали и быстро рассеивает тепло.По ее словам, графен помещен на устройства из нитрида бора, который чрезвычайно плоский и гладкий, как каток. Диоксид кремния — традиционная основа для чипов — снижает производительность, поскольку рассеивает электроны, которые могут уносить тепло.
По словам Андрея, в крошечном чипе компьютера или смартфона миллиарды транзисторов выделяют много тепла, и это большая проблема. Высокие температуры ухудшают работу транзисторов — электронных устройств, которые контролируют поток энергии и могут усиливать сигналы, — поэтому они нуждаются в охлаждении.
Современные методы включают использование маленьких вентиляторов в компьютерах, но вентиляторы становятся менее эффективными и выходят из строя, сказала она. Вода также используется для охлаждения, но этот громоздкий метод сложен и подвержен утечкам, которые могут поджечь компьютеры.«В холодильнике есть компрессор, который охлаждает и циркулирует жидкость», — сказал Андрей. «Но это касается движущихся частей, и один из методов охлаждения без движущихся частей называется термоэлектрическим охлаждением».Подумайте о термоэлектрическом охлаждении как о воде в ванне.
Если в ванне есть горячая вода, и вы включаете холодную воду, холодной воде под краном требуется много времени, чтобы диффундировать в ванну. По словам Андрея, это пассивное охлаждение, потому что молекулы медленно диффундируют в воде в ванне и растворяются. Но если вы руками проталкиваете воду от холодного конца к горячему, процесс охлаждения, также известный как конвекция или активное охлаждение, будет намного быстрее.
По ее словам, тот же процесс происходит в чипах компьютеров и смартфонов. Вы можете подключить кусок провода, например медного, к горячей микросхеме, и тепло будет отводиться пассивно, как в ванне.Теперь представьте кусок металла с горячим и холодным концом.
По словам Андрея, атомы и электроны металла проносятся вокруг горячего конца и работают медленно на холодном конце. Ее исследовательская группа, по сути, приложила напряжение к металлу, посылая ток от горячего конца к холодному. Как и в случае активного охлаждения в примере с ванной, ток побуждал электроны отводить тепло гораздо эффективнее, чем при пассивном охлаждении.
Графен на самом деле превосходит как по своей пассивной, так и по активной охлаждающей способности. Комбинация этих двух факторов делает графен отличным охладителем.
«Электронная промышленность движется к такому виду охлаждения», — сказал Андрей. «Существует очень большой толчок к исследованиям, чтобы внедрить такие виды кулеров. Велика вероятность того, что графеновый кулер выиграет. Другие материалы намного дороже, они не такие тонкие и у них нет такой высокий коэффициент мощности ".