Les chercheurs de l'Université Rice ont utilisé des modèles informatiques pour déterminer la meilleure façon de disperser la chaleur produite par des dispositifs microélectroniques utilisant des semi-conducteurs au nitrure de gallium et du diamant. Une surface à motifs et une couche de graphène d'épaisseur atomique ont aidé à transporter les phonons du semi-conducteur au dissipateur de chaleur. Crédit :Lei Tao
Des surfaces bosselées avec du graphène entre elles aideraient à dissiper la chaleur dans les dispositifs microélectroniques de nouvelle génération, selon les scientifiques de l'Université Rice.
Leurs études théoriques montrent que l'amélioration de l'interface entre les semi-conducteurs en nitrure de gallium et les dissipateurs thermiques en diamant permettrait aux phonons – des quasi-particules de son qui transportent également de la chaleur – de se disperser plus efficacement. Les dissipateurs thermiques sont utilisés pour évacuer la chaleur des appareils électroniques.
Les modèles informatiques de riz ont remplacé l'interface plate entre les matériaux par un motif nanostructuré et ont ajouté une couche de graphène, la forme de carbone à épaisseur atomique, comme moyen d'améliorer considérablement le transfert de chaleur, a déclaré Rouzbeh Shahsavari, scientifique en matériaux de riz.
La nouvelle œuvre de Shahsavari, L'étudiant diplômé de Rice et auteur principal Lei Tao et le chercheur postdoctoral Sreeprasad Sreenivasan sont apparus ce mois-ci dans le journal de l'American Chemical Society Matériaux et interfaces appliqués ACS .
Peu importe la taille, les appareils électroniques doivent disperser la chaleur qu'ils produisent, dit Shahsavari. « Avec la tendance actuelle à l'augmentation constante de la puissance et à la miniaturisation des appareils, la gestion efficace de la chaleur est devenue un problème sérieux pour la fiabilité et la performance, " dit-il. " Souvent, les matériaux individuels dans les dispositifs hybrides nano- et microélectroniques fonctionnent bien, mais l'interface de différents matériaux est le goulot d'étranglement pour la diffusion de la chaleur."
Le nitrure de gallium est devenu un candidat solide pour une utilisation dans les hautes puissances, applications à haute température comme les alimentations sans interruption, moteurs, convertisseurs solaires et véhicules hybrides, il a dit. Le diamant est un excellent dissipateur thermique, mais son interface atomique avec le nitrure de gallium est difficile à traverser pour les phonons.
Les simulations de riz montrent que le graphène entre le nitrure de gallium à motifs et le diamant offrirait un excellent transfert de chaleur dans les hybrides de nouvelle génération de nano- et microélectronique. Crédit :Lei Tao
Les chercheurs ont simulé 48 motifs de grille distincts avec des piliers de graphène carrés ou ronds et les ont réglés pour faire correspondre les fréquences de vibration des phonons entre les matériaux. L'enfoncement d'un motif dense de petits carrés dans le losange a montré une diminution spectaculaire de la résistance thermique aux limites allant jusqu'à 80 %. Une couche de graphène entre les matériaux a encore réduit la résistance de 33 %.
Ajuster la longueur du pilier, Taille, forme, hiérarchie, la densité et l'ordre seront importants, dit Lei.
« Avec les avancées actuelles et émergentes de la nanofabrication comme la nanolithographie, il est désormais possible d'aller au-delà des interfaces de rabotage conventionnelles et de créer des interfaces à motifs stratégiques recouvertes de nanomatériaux pour augmenter considérablement le transport de chaleur, " a déclaré Shahsavari. "Notre stratégie s'adapte à plusieurs autres matériaux hybrides et fournit de nouvelles perspectives pour surmonter le goulot d'étranglement de la résistance aux limites thermiques."
Shahsavari est professeur adjoint de génie civil et environnemental et de science des matériaux et nano-ingénierie.
Les chercheurs ont utilisé le supercalculateur Blue Gene et le supercalculateur DAVinCI soutenu par la National Science Foundation, qui sont tous deux administrés par le Rice's Center for Research Computing et ont été achetés en partenariat avec le Rice Ken Kennedy Institute for Information Technology.
