Los investigadores de la Universidad de Rice utilizaron modelos informáticos para determinar la mejor manera de dispersar el calor producido por dispositivos microelectrónicos que utilizan semiconductores de nitruro de galio y diamante. Una superficie estampada y una capa de grafeno de un átomo de espesor ayudaron a transportar fonones desde el semiconductor hasta el disipador de calor. Crédito:Lei Tao
Las superficies llenas de baches con grafeno ayudarían a disipar el calor en los dispositivos microelectrónicos de próxima generación, según los científicos de la Universidad de Rice.
Sus estudios teóricos muestran que la mejora de la interfaz entre los semiconductores de nitruro de galio y los disipadores de calor de diamante permitiría que los fonones, cuasipartículas de sonido que también transportan calor, se dispersen de manera más eficiente. Los disipadores de calor se utilizan para alejar el calor de los dispositivos electrónicos.
Los modelos informáticos de Rice reemplazaron la interfaz plana entre los materiales con un patrón nanoestructurado y agregaron una capa de grafeno. la forma de carbono de un átomo de espesor, como una forma de mejorar drásticamente la transferencia de calor, dijo el científico de materiales de Rice Rouzbeh Shahsavari.
El nuevo trabajo de Shahsavari, La estudiante graduada de Rice y autora principal, Lei Tao, y la investigadora postdoctoral Sreeprasad Sreenivasan aparecieron este mes en la revista American Chemical Society. Materiales e interfaces aplicados de ACS .
No importa el tamaño, los dispositivos electrónicos necesitan dispersar el calor que producen, Dijo Shahsavari. "Con la tendencia actual de aumentos constantes de potencia y miniaturización de dispositivos, La gestión eficiente del calor se ha convertido en un problema grave para la fiabilidad y el rendimiento. ", dijo." A menudo, los materiales individuales en los dispositivos híbridos nano y microelectrónicos funcionan bien, pero la interfaz de diferentes materiales es el cuello de botella para la difusión del calor ".
El nitruro de galio se ha convertido en un fuerte candidato para su uso en aplicaciones de alta temperatura como fuentes de alimentación ininterrumpida, motores, convertidores solares y vehículos híbridos, él dijo. El diamante es un excelente disipador de calor, pero su interfaz atómica con el nitruro de galio es difícil de atravesar por los fonones.
Las simulaciones de Rice muestran que el grafeno entre el nitruro de galio modelado y el diamante ofrecería una excelente transferencia de calor en híbridos de nano y microelectrónica de próxima generación. Crédito:Lei Tao
Los investigadores simularon 48 patrones de cuadrícula distintos con pilares de grafeno cuadrados o redondos y los ajustaron para que coincidieran con las frecuencias de vibración de los fonones entre los materiales. Hundir un patrón denso de pequeños cuadrados en el diamante mostró una disminución dramática en la resistencia de los límites térmicos de hasta un 80 por ciento. Una capa de grafeno entre los materiales redujo aún más la resistencia en un 33 por ciento.
Ajuste de la longitud del pilar, Talla, forma, jerarquía, la densidad y el orden serán importantes, Dijo Lei.
"Con los avances actuales y emergentes en nanofabricación como la nanolitografía, Ahora es posible ir más allá de las interfaces de cepillado convencionales y crear interfaces con patrones estratégicos recubiertas con nanomateriales para impulsar significativamente el transporte de calor. ", Dijo Shahsavari." Nuestra estrategia se adapta a varios otros materiales híbridos y proporciona nuevos conocimientos para superar el cuello de botella de la resistencia de los límites térmicos ".
Shahsavari es profesor asistente de ingeniería civil y ambiental y de ciencia de materiales y nanoingeniería.
Los investigadores utilizaron la supercomputadora Blue Gene y la supercomputadora DAVinCI respaldada por la National Science Foundation, ambos administrados por el Centro de Investigación en Computación de Rice y adquiridos en asociación con el Instituto Ken Kennedy de Tecnología de la Información de Rice.
