Ett team av forskare från University of Oxford, Delft University och IBM Zürich har visat att grafen kan användas för att bygga känsliga och självförsörjande temperatursensorer. Fynden banar väg för design av mycket känsliga termoelement, som skulle kunna integreras i nanoenheter och till och med levande celler.

On-chip temperatursensorer som är skalbara, tillförlitliga och kan installeras i nanoenheter är avgörande för framtida värmehantering i processorer. Genom att bestämma den lokala uppvärmningen i vissa segment av en CPU genom distribution av temperaturvakter längs kritiska punkter, återkoppling kan ges till ett kontrollsystem. Som svar, termisk hantering kan möjliggöra omfördelning av den termiska belastningen genom punktkylning eller belastningsfördelning, till exempel bland olika datorkärnor, undvika hot spots och möjliggöra en längre livslängd på enheten samt spara energi. Sådana temperatursensorer bör ha ett litet fotavtryck, Hög precision, förbruka en minimal mängd ström och vara kompatibel med etablerade nanotillverkningstekniker.

On-chip termometri

Termoelement är en idealisk kandidat för lågkostnadstermometri eftersom de är självdrivna och relativt lätta att tillverka. De tenderar att ha små variationer i känslighet eftersom deras signal härrör från inneboende materialegenskaper. Vanligtvis, termoelement är en kombination av två material med olika Seebeck-koefficienter sammanfogade vid avkänningsänden, möjliggör mätning av en termospänning som byggs upp mellan en avkänning och referens som är proportionell mot en temperaturskillnad. För att uppnå on-chip termometri med konventionella termoelement, normalt krävs två separata tillverkningskörningar. Dock, termoelement som lätt kan integreras i nuvarande integration i waferskala har redan väckt intresse, med flera försök att tillverka enstaka metalltermoelement som rapporterats tidigare. Än, dessa termoelement har en liten känslighet (i storleksordningen 1 μV/K), tenderar att ha ett stort fotavtryck och har en relativt stor tjocklek i storleksordningen 100 nanometer.

Grafen

Ett team av forskare från University of Oxford, Delft University och IBM Zürich har nu visat att grafen kan användas för att bygga känsliga, en-material och självförsörjande temperatursensorer. De mönstrade grafen, en enatoms tjock skiva av kolatomer, till en U-form, med ett brett och ett smalt ben som sammanfogas i avkänningsänden. Genom att noggrant ställa in grafenbenens geometri och utnyttja effekten av elektronspridning vid kanterna på grafenanordningen, teamet uppnådde en maximal känslighet på ΔS≈39 μV/K.

Resultaten kan bana väg för design av mycket känsliga termoelement med möjlighet till integration i van der Waals strukturer och framtida grafenkretsar. Dessutom, på grund av grafens bioinerta natur och dess stabilitet under en mängd olika omständigheter, dessa termoelement kan också användas som temperatursensorer i tuffa eller känsliga miljöer, såsom celler och andra levande system.