Elektronikminiatyrisering har lagt kraftfull datorkapacitet i händerna på vanliga människor, men den pågående neddragningen av integrerade kretsar utmanar ingenjörer att komma på nya sätt att motverka överhettning av komponenter.

Forskare vid University of California, Irvine gjorde nyligen ett genombrott i att verifiera en ny materialkonfiguration för att underlätta kylning. I en studie i tidskriften Nanoteknik , medlemmar av UCI:s Nano Thermal Energy Research Group lyfter fram egenskaperna hos hålkisel, en datorchipsskiva med liten, vertikalt etsade öppningar som arbetar för att transportera värme till önskade platser.

"Vi fann att värme föredrar att färdas vertikalt genom men inte i sidled över håligt kisel, vilket innebär att materialet effektivt kan flytta värmen från lokala hot spots till on-chip kylsystem i vertikal riktning samtidigt som den upprätthåller den nödvändiga temperaturgradienten för termoelektriska kopplingar i lateral riktning, " sa motsvarande författare Jaeho Lee, UCI biträdande professor i mekanisk och rymdteknik.

"Denna innovation kan potentiellt vara idealisk för att hålla elektroniska enheter som smartphones svala under drift, " sa huvudförfattaren Zongqing Ren, en doktorandforskare i NTERG.

Han sa att labbsimuleringar visade att kylningseffektiviteten hos hålkisel är minst 400 procent bättre än kalkogenider, föreningar som vanligtvis används i termoelektriska kylanordningar.

Labbets håliga kiselforskning är en uppföljning av en studie publicerad i Naturkommunikation i början av 2017 där Lee, som huvudförfattare, och hans UC Berkeley-baserade medarbetare använde nanometerskala kiselnätmaterial för att undersöka egenskaper hos fononer, kvasipartiklar som ger forskare insikt i termiska transportmekanismer.

"Vi vet att fononer kan visa vågliknande såväl som partikelliknande beteende under termisk transport, " sa Lee. "Med hjälp av maskor med olika hålstorlekar och avstånd, vi kunde klargöra komplexa termiska transportmekanismer på nanoskala."

Kunskapen från den tidigare studien hjälpte hans team att förstå hur liten, halsformade strukturer skapade av de etsade hålen i håligt kisel orsakar fonon-backscattering, en partikeleffekt som leder till låg värmeledningsförmåga i planet. Hög värmeledningsförmåga över plan orsakades av långvågiga fononer som hjälper till att föra bort värme.

Lee sa att temperaturproblemet inom elektronik har vuxit under de senaste åren eftersom mikrochipdesigners verkar ha nått en storleksgräns. Med större komponenter, tillverkare kan använda kylflänsar, fenor och även fläktar för att leda bort värme från kritisk hårdvara. På dagens tätt packade chips med miljarder transistorer i nanoskala – ofta inklämda i smala, konsumentprodukter i fickan – det finns inget utrymme för sådana kylningstekniker.

Andra nyckelfrågor är livslängd och tillförlitlighet. Halvledarchips bäddas in på många nya platser – fungerar som sensorer och ställdon i bilar och apparater och som noder längs internet of things. Dessa enheter förväntas fungera kontinuerligt i år och till och med årtionden. Långvarig exponering för värme kan orsaka fel på sådan infrastruktur.

"Å ena sidan, nanoteknik har öppnat upp en helt ny värld av möjligheter, men på den andra det har skapat en mängd utmaningar, "Sa Lee. "Det är viktigt att vi fortsätter att utveckla en bättre förståelse för grunderna för termisk transport och hitta sätt att kontrollera värmeöverföring på nanoskala."