"Kyl den!" Det är ett främsta direktiv för mikroprocessorchips och en lovande ny lösning för att möta detta imperativ är på gång. Forskare vid det amerikanska energidepartementet (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har utvecklat en "processvänlig" teknik som skulle möjliggöra kylning av mikroprocessorchips genom kolnanorör.

Frank Ogletree, en fysiker vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning, ledde en studie där organiska molekyler användes för att bilda starka kovalenta bindningar mellan kolnanorör och metallytor. Detta förbättrades med sexfaldigt värmeflödet från metallen till kolnanorören, banar väg för snabbare, effektivare kylning av datorchips. Tekniken görs genom gasånga eller flytande kemi vid låga temperaturer, vilket gör den lämplig för tillverkning av datorchips.

"Vi har utvecklat kovalenta bindningsvägar som fungerar för oxidbildande metaller, som aluminium och kisel, och för mer ädla metaller, som guld och koppar, " säger Ogletree, som fungerar som personalingenjör för Imaging Facility på Molecular Foundry, ett DOE nanovetenskapscenter värd av Berkeley Lab. "I båda fallen förbättrades den mekaniska vidhäftningen så att ytbindningar var tillräckligt starka för att dra en kolnanorörsuppsättning bort från dess tillväxtsubstrat och avsevärt förbättra transporten av värme över gränsytan."

Ogletree är motsvarande författare till en artikel som beskriver denna forskning i Naturkommunikation . Uppsatsen har titeln "Enhanced Thermal Transport at Covalently Functionalized Carbon Nanotube Array Interfaces." Medförfattare är Sumanjeet Kaur, Nachiket Raravikar, Brett Helms och Ravi Prasher.

Överhettning är mikroprocessorernas förödelse. När transistorerna värms upp, deras prestanda kan försämras till den grad att de inte längre fungerar som transistorer. Med mikroprocessorchips som blir tätare packade och bearbetningshastigheterna fortsätter att öka, överhettningsproblemet blir allt större. Den första utmaningen är att leda värme ut från chipet och till kretskortet där fläktar och andra tekniker kan användas för kylning. Kolnanorör har visat exceptionellt hög värmeledningsförmåga men deras användning för att kyla mikroprocessorchips och andra enheter har hindrats av höga termiska gränssnittsmotstånd i nanostrukturerade system.

"Värmeledningsförmågan hos kolnanorör överstiger diamantens eller något annat naturligt material, men eftersom kolnanorör är så kemiskt stabila, deras kemiska interaktioner med de flesta andra material är relativt svaga, vilket ger högt termiskt gränssnittsmotstånd, " Ogletree säger. "Intel kom till Molecular Foundry och ville förbättra prestandan hos kolnanorör i enheter. Arbetar med Nachiket Raravikar och Ravi Prasher, som båda var Intel-ingenjörer när projektet initierades, vi kunde öka och stärka kontakten mellan kolnanorör och ytorna på andra material. Detta minskar det termiska motståndet och förbättrar värmetransporteffektiviteten avsevärt."

Sumanjeet Kaur, huvudförfattare till Naturkommunikation papper och en expert på kolnanorör, med hjälp av medförfattare och Molecular Foundry-kemist Brett Helms, använde reaktiva molekyler för att överbrygga gränssnittet mellan kolnanorör och metall - aminopropyl-trialkoxi-silan (APS) för oxidbildande metaller, och cysteamin för ädelmetaller. De första vertikalt inriktade kolnanorörsuppsättningarna odlades på kiselskivor, och tunna filmer av aluminium eller guld indunstades på täckglas av glasmikroskop. Metallfilmerna "funktionaliserades" och fick binda med kolnanorörsuppsättningarna. Förbättrat värmeflöde bekräftades med en karakteriseringsteknik utvecklad av Ogletree som möjliggör gränssnittsspecifika mätningar av värmetransport.

"Du kan tänka på gränssnittsresistans i steady-state värmeflöde som ett extra avstånd som värmen måste strömma genom materialet, "Kaur säger." Med kolnanorör, termiskt gränssnittsmotstånd lägger till något som 40 mikron avstånd på varje sida av det faktiska kolnanorörsskiktet. Med vår teknik, vi kan minska gränssnittsmotståndet så att det extra avståndet är cirka sju mikron vid varje gränssnitt."

Även om metoden som används av Ogletree, Kaur och deras kollegor stärkte avsevärt kontakten mellan en metall och enskilda kolnanorör inom en array, en majoritet av nanorören i arrayen kan fortfarande misslyckas med att ansluta till metallen. Berkeley-teamet utvecklar nu ett sätt att förbättra tätheten av kolnanorör/metallkontakter. Deras teknik bör också vara tillämpbar på grafenenheter med enkel- och flerskiktstyp, som har samma kylningsproblem.

"En del av vårt uppdrag på Molecular Foundry är att hjälpa till att utveckla lösningar för tekniska problem som ställs till oss av industriella användare som också väcker grundläggande vetenskapliga frågor, " säger Ogletree. "När vi utvecklade den här tekniken för att lösa ett verkligt tekniskt problem, vi skapade också verktyg som ger ny information om grundläggande kemi."