Avec du graphène, Les chercheurs de Rutgers ont découvert un moyen puissant de refroidir de minuscules puces - des composants clés des appareils électroniques avec des milliards de transistors chacun.

"Vous pouvez adapter le graphène, un très mince, matériau bidimensionnel pouvant être miniaturisé, pour refroidir un point chaud qui crée des problèmes de chauffe dans votre puce, a déclaré Eva Y. Andrei, Conseil des gouverneurs professeur de physique au Département de physique et d'astronomie. "Cette solution n'a pas de pièces mobiles et elle est assez efficace pour le refroidissement."

Le rétrécissement des composants électroniques et la chaleur excessive générée par leur puissance croissante a accru le besoin de solutions de refroidissement des puces, selon une étude dirigée par Rutgers publiée récemment dans Actes de l'Académie nationale des sciences . En utilisant du graphène combiné à un substrat de cristal de nitrure de bore, les chercheurs ont démontré un mécanisme de refroidissement plus puissant et efficace.

« Nous avons atteint un facteur de puissance environ deux fois supérieur à celui des glacières thermoélectriques précédentes, " dit Andreï, qui travaille à l'École des arts et des sciences.

Le facteur de puissance fait référence à l'efficacité du refroidissement actif. C'est alors qu'un courant électrique évacue la chaleur, comme le montre cette étude, tandis que le refroidissement passif se produit lorsque la chaleur se diffuse naturellement.

Le graphène a des avantages majeurs. C'est une couche de graphite d'un atome d'épaisseur, qui est la substance feuilletée à l'intérieur d'un crayon. Les flocons les plus fins, graphène, se composent d'atomes de carbone disposés dans un réseau en nid d'abeille qui ressemble à du grillage, dit Andreï. Il conduit mieux l'électricité que le cuivre, est 100 fois plus résistant que l'acier et diffuse rapidement la chaleur.

Le graphène est placé sur des appareils en nitrure de bore, qui est extrêmement plat et lisse comme une patinoire, elle a dit. Le dioxyde de silicium – la base traditionnelle des puces – nuit aux performances car il disperse les électrons qui peuvent évacuer la chaleur.

Dans une petite puce d'ordinateur ou de smartphone, des milliards de transistors génèrent beaucoup de chaleur, et c'est un gros problème, dit Andreï. Les températures élevées entravent les performances des transistors - des dispositifs électroniques qui contrôlent le flux d'énergie et peuvent amplifier les signaux - ils ont donc besoin d'être refroidis.

Les méthodes actuelles incluent de petits ventilateurs dans les ordinateurs, mais les ventilateurs deviennent moins efficaces et tombent en panne, elle a dit. L'eau est également utilisée pour le refroidissement, mais cette méthode volumineuse est compliquée et sujette aux fuites qui peuvent faire griller les ordinateurs.

« Dans un réfrigérateur, tu as une compression qui fait le refroidissement et tu fais circuler un liquide, ", a déclaré Andrei. "Mais cela implique des pièces mobiles et une méthode de refroidissement sans pièces mobiles est appelée refroidissement thermoélectrique."

Pensez au refroidissement thermoélectrique en termes d'eau dans une baignoire. Si la baignoire a de l'eau chaude et que vous ouvrez l'eau froide, il faut beaucoup de temps pour que l'eau froide sous le robinet se diffuse dans la baignoire. Il s'agit d'un refroidissement passif car les molécules diffusent lentement dans l'eau du bain et se diluent, dit Andreï. Mais si vous utilisez vos mains pour pousser l'eau de l'extrémité froide vers l'extrémité chaude, le processus de refroidissement – ​​également connu sous le nom de convection ou refroidissement actif – sera beaucoup plus rapide.

Le même processus a lieu dans les puces d'ordinateurs et de smartphones, elle a dit. Vous pouvez connecter un morceau de fil, comme le cuivre, à une puce chaude et la chaleur est évacuée passivement, comme dans une baignoire.

Imaginez maintenant un morceau de métal avec des extrémités chaudes et froides. Les atomes et les électrons du métal se déplacent autour de l'extrémité chaude et sont lents à l'extrémité froide, dit Andreï. Son équipe de recherche, en effet, tension appliquée au métal, envoyer un courant de l'extrémité chaude à l'extrémité froide. Similaire au cas du refroidissement actif dans l'exemple de la baignoire, le courant a incité les électrons à évacuer la chaleur beaucoup plus efficacement que via un refroidissement passif. Le graphène est en fait supérieur dans sa capacité de refroidissement passif et actif. La combinaison des deux fait du graphène un excellent refroidisseur.

"L'industrie électronique s'oriente vers ce type de refroidissement, " Andrei a dit. " Il y a une très grande poussée de recherche pour incorporer ce genre de refroidisseurs. Il y a de fortes chances que le refroidisseur au graphène l'emporte. D'autres matériaux sont beaucoup plus chers, ils ne sont pas aussi minces et ils n'ont pas un facteur de puissance aussi élevé."

L'auteur principal de l'étude est Junxi Duan, un post-doctorant en physique Rutgers. D'autres auteurs incluent Xiaoming Wang, un boursier postdoctoral Rutgers en génie mécanique; Xinyuan Lai, un étudiant de premier cycle en physique Rutgers; Guohong Li, un associé de recherche en physique Rutgers; Kenji Watanabe et Takashi Taniguchi de l'Institut national des sciences des matériaux de Tsukuba, Japon; Mona Zebarjadi, un ancien professeur de génie mécanique Rutgers qui est maintenant à l'Université de Virginie; et Andreï. Zebarjadi a mené une étude précédente sur le refroidissement électronique à l'aide de dispositifs thermoélectriques.