Med grafen, Rutgers forskare har upptäckt ett kraftfullt sätt att kyla små chips - nyckelkomponenter i elektroniska enheter med miljarder transistorer styck.

"Du kan passa grafen, en mycket tunn, tvådimensionellt material som kan miniatyriseras, för att kyla en het punkt som skapar uppvärmningsproblem i ditt chip, sa Eva Y. Andrei, Styrelse professor i fysik vid institutionen för fysik och astronomi. "Den här lösningen har inga rörliga delar och den är ganska effektiv för kylning."

Krympningen av elektroniska komponenter och den överdrivna värmen som genereras av deras ökande effekt har ökat behovet av chip-kylningslösningar, enligt en Rutgers-ledd studie publicerad nyligen i Proceedings of the National Academy of Sciences . Genom att använda grafen kombinerat med ett bornitridkristallsubstrat, forskarna visade en mer kraftfull och effektiv kylmekanism.

"Vi har uppnått en effektfaktor som är ungefär två gånger högre än i tidigare termoelektriska kylare, "sa Andrei, som arbetar på School of Arts and Sciences.

Effektfaktorn avser effektiv kylning. Det är då en elektrisk ström leder bort värme, som visas i denna studie, medan passiv kylning är när värme diffunderar naturligt.

Graphene har stora fördelar. Det är ett enatomtjockt lager av grafit, som är de fläckiga grejerna i en penna. De tunnaste flingorna, grafen, består av kolatomer arrangerade i ett bikakegitter som ser ut som hönsnät, sa Andrei. Den leder elektricitet bättre än koppar, är 100 gånger starkare än stål och sprider snabbt värme.

Grafenen placeras på enheter gjorda av bornitrid, som är extremt platt och slät som en skridskobana, Hon sa. Kiseldioxid – den traditionella basen för chips – hindrar prestandan eftersom den sprider elektroner som kan transportera bort värme.

I en liten dator eller smartphone -chip, miljarder transistorer genererar mycket värme, och det är ett stort problem, Sa Andrei. Höga temperaturer hämmar prestandan hos transistorer – elektroniska enheter som styr strömflödet och kan förstärka signaler – så de behöver kylas.

Nuvarande metoder inkluderar små fläktar i datorer, men fläktarna blir mindre effektiva och går sönder, Hon sa. Vatten används också för kylning, men den skrymmande metoden är komplicerad och utsatt för läckor som kan steka datorer.

"I ett kylskåp, du har kompression som kyler och du cirkulerar en vätska, ", sa Andrei. "Men det här involverar rörliga delar och en metod för kylning utan rörliga delar kallas termoelektrisk kylning."

Tänk på termoelektrisk kylning i termer av vattnet i ett badkar. Om badkaret har varmt vatten och du slår på det kalla vattnet, det tar lång tid för det kalla vattnet under kranen att diffundera i badkaret. Detta är passiv kylning eftersom molekyler långsamt diffunderar i badvattnet och späds ut, Sa Andrei. Men om du använder händerna för att driva vattnet från den kalla änden till den heta, kylprocessen – även känd som konvektion eller aktiv kylning – kommer att gå mycket snabbare.

Samma process äger rum i dator- och smartphonechips, Hon sa. Du kan ansluta en bit tråd, som koppar, till ett hett chip och värme förs bort passivt, precis som i ett badkar.

Föreställ dig nu en metallbit med varma och kalla ändar. Metallens atomer och elektroner glider runt den varma änden och är tröga i den kalla änden, sa Andrei. Hennes forskargrupp, i själva verket, pålagd spänning på metallen, skickar en ström från den varma änden till den kalla änden. I likhet med fallet med aktiv kylning i badkarsexemplet, strömmen sporrade elektronerna att föra bort värmen mycket mer effektivt än via passiv kylning. Grafen är faktiskt överlägsen i både sin passiva och aktiva kylningsförmåga. Kombinationen av de två gör grafen till en utmärkt kylare.

"Elektronikindustrin går mot den här typen av kylning, ", sa Andrei. "Det finns en mycket stor forskningsinsats för att införliva dessa typer av kylare. Det finns en god chans att grafenkylaren kommer att vinna. Andra material där ute är mycket dyrare, de är inte lika tunna och de har inte så hög effektfaktor. "

Studiens huvudförfattare är Junxi Duan, en Rutgers-fysikpostdoktor. Andra författare inkluderar Xiaoming Wang, en Rutgers maskiningenjör post-doktorand; Xinyuan Lai, en Rutgers fysikstudent; Guohong Li, en Rutgers fysikforskare; Kenji Watanabe och Takashi Taniguchi från National Institute for Materials Science i Tsukuba, Japan; Mona Zebarjadi, en före detta professor i maskinteknik från Rutgers som nu är vid University of Virginia; och Andrei. Zebarjadi genomförde en tidigare studie om elektronisk kylning med termoelektriska enheter.