Rice University forskare använde datormodeller för att bestämma det bästa sättet att sprida värme som produceras av mikroelektroniska enheter med hjälp av galliumnitridhalvledare och diamant. En mönstrad yta och ett lager av atomtjock grafen hjälpte till att transportera fononer från halvledaren till kylflänsen. Kredit:Lei Tao
Gropiga ytor med grafen mellan skulle hjälpa till att avleda värme i nästa generations mikroelektroniska enheter, enligt Rice University-forskare.
Deras teoretiska studier visar att en förstärkning av gränssnittet mellan galliumnitridhalvledare och diamantkylflänsar skulle tillåta fononer – kvasipartiklar av ljud som också bär värme – att spridas mer effektivt. Kylflänsar används för att transportera bort värme från elektroniska enheter.
Rice datormodeller ersatte det platta gränssnittet mellan materialen med ett nanostrukturerat mönster och lade till ett lager av grafen, den atomtjocka formen av kol, som ett sätt att dramatiskt förbättra värmeöverföringen, sade rismaterialforskaren Rouzbeh Shahsavari.
Det nya verket av Shahsavari, Rice doktorand och huvudförfattare Lei Tao och postdoktor Sreeprasad Sreenivasan dök upp denna månad i tidskriften American Chemical Society ACS tillämpade material och gränssnitt .
Oavsett storlek, elektroniska enheter måste sprida värmen de producerar, sa Shahsavari. "Med den nuvarande trenden med konstant ökning av effekt och enhetsminiatyrisering, effektiv värmehantering har blivit en allvarlig fråga för tillförlitlighet och prestanda, " sa han. "Ofta, de enskilda materialen i hybrid nano- och mikroelektroniska enheter fungerar bra men gränssnittet mellan olika material är flaskhalsen för värmediffusion."
Galliumnitrid har blivit en stark kandidat för användning i högeffekt, högtemperaturapplikationer som avbrottsfri strömförsörjning, motorer, solomvandlare och hybridfordon, han sa. Diamond är en utmärkt kylfläns, men dess atomära gränssnitt med galliumnitrid är svårt för fononer att passera.
Rissimuleringar visar att grafen mellan mönstrad galliumnitrid och diamant skulle erbjuda utmärkt värmeöverföring i nästa generations hybrider av nano- och mikroelektronik. Kredit:Lei Tao
Forskarna simulerade 48 distinkta rutmönster med kvadratiska eller runda grafenpelare och justerade dem för att matcha fononvibrationsfrekvenser mellan materialen. Att sänka ett tätt mönster av små rutor i diamanten visade en dramatisk minskning av termisk gränsresistans på upp till 80 procent. Ett lager grafen mellan materialen minskade motståndet ytterligare med 33 procent.
finjustera pelarens längd, storlek, form, hierarki, täthet och ordning kommer att vara viktigt, sa Lei.
"Med nuvarande och framväxande framsteg inom nanotillverkning som nanolitografi, det är nu möjligt att gå längre än de konventionella hyvelgränssnitten och skapa strategiskt mönstrade gränssnitt belagda med nanomaterial för att avsevärt öka värmetransporten, "Shahsavari sa. "Vår strategi är mottaglig för flera andra hybridmaterial och ger nya insikter för att övervinna den termiska gränsresistansflaskhalsen."
Shahsavari är biträdande professor i civil- och miljöteknik och i materialvetenskap och nanoteknik.
Forskarna använde superdatorn Blue Gene och den National Science Foundation-stödda DAVinCI superdatorn, som båda administreras av Rices Center for Research Computing och upphandlades i samarbete med Rices Ken Kennedy Institute for Information Technology.
