科学家们展示了一种新材料,导热150%更有效地比传统材料中使用先进的芯片技术。欧洲杯足球竞彩
设备-一个超薄硅纳米线可以使更小、更快的微电子的传热效率,超越当前的技术。电子设备由芯片,高效散热会消耗更少的能量,改善,可以帮助减轻能源的消耗产生的富含碳的化石燃料的燃烧,造成了全球变暖。
“克服硅的自然限制在其传热能力,我们发现解决芯片工程中的一个障碍,”Junqiao Wu说,科学家领导的物理评论快报研究报告新装置。吴是一个教员科学家在材料科学部门,加州大学伯克利分校材料科学和工程欧洲杯足球竞彩学教授。欧洲杯线上买球
热的Slow流过硅
我们的电子产品是相对便宜,因为硅-计算机芯片的材料选择便宜易得。尽管硅是良好的导体,它不是热的良导体时减少到非常小的尺寸时,快速计算,为微型芯片提供了一个大问题。
在每个芯片驻留数百亿硅晶体管,引导电子的记忆细胞,编码比特的数据为0和1,电脑的二进制语言。这些勤劳的晶体管之间的电流运行,这些电流不可避免地产生热量。
热量从热对象自然流向一个很酷的对象。但在硅热流变得棘手。
在它的自然形式,硅是由三个不同的同位素——形式的化学元素包含相同数量的质子但不同数量的中子的原子核(因此不同的质量)。
大约92%的硅包括同位素silicon-28、14个质子和中子14;5%左右是silicon-29,重达14质子和中子15;silicon-30仅为3%,与14个质子和中子16相对重量级,解释了作者Joel蒸机拥有职称的资深科学家在伯克利实验室材料科学部门和兼职教授在加州大学伯克利分校材料科学与工程。欧洲杯足球竞彩欧洲杯线上买球
声子,原子振动的波带热,风穿过硅的晶体结构,其方向变化时撞到silicon-29或silicon-30,不同的原子质量“混淆”声子,放缓下来。
“声子最终获得的想法和发现他们的冷端冷却硅材料,“但这允许废热建立间接路径,进而减缓你的电脑,也蒸机说。
一大步朝着更快、密集的微电子
几十年来,研究人员推断,芯片由纯silicon-28将克服硅的热导率限制,因此提高较小的处理速度,密度微电子。
但净化硅一个同位素需要强烈的级别的一些设施的能源可以供应,甚至更少的专业生产市场化同位素,蒸机说。
幸运的是,从2000年代初国际项目启用蒸机和领先的半导体材料专家尤金·哈勒采购四氟化硅气体——isotopically纯化硅的原料——来自前苏联时代的同位素制造厂。欧洲杯足球竞彩(哈勒在1984年创办了伯克利实验室DOE-funded电子材料项目,高级教师,科学家在伯克利实验室材料科欧洲杯足球竞彩学部门,加州大学伯克利分校材料科学和矿物工程教授。欧洲杯线上买球他死于2018年。)
这导致了一系列开创性的实验,包括2006年的一项研究发表在《自然》,蒸机和哈勒silicon-28塑造成单一晶体,它们用于演示量子存储器存储信息作为量子比特或量子位,单位存储的数据同时作为一个和一分之十电子的自旋。
随后,半导体薄膜和单晶用蒸机和哈勒的硅同位素表明材料的热导率高于10%天然硅-一种进步,但是从计算机行业的角度来看,可能不够花一千倍的钱建立一个计算机从isotopically纯硅,蒸机说。
但熟化器知道硅同位素材料科学的重要性超出量子计算。欧洲杯足球竞彩所以他一直保持在一个安全的地方在伯克利实验室,以防其他科学家可能会需要它,因为很少有人有足够的资源,甚至购买isotopically纯硅,他推断。
一个Pa向与Silicon-28冷却器技术
大约三年前,吴和他的研究生Penghong Ci正试图想出新的方法来提高硅片的传热速率。
一个策略做出更高效的纳米线晶体管包括使用一种称为Gate-All-Around场效应晶体管。在这些设备中,硅纳米线导电堆放,同时和热生成,吴解释道。“如果不是它所产生的热量迅速提取出来,设备将停止工作,类似于高层建筑的火灾报警刺耳没有疏散地图,”他说。
但在硅纳米线热传输更糟,因为他们的粗糙表面-伤疤从化学加工中的声子散射或“迷惑”,他解释说。
”,然后有一天,我们想知道,如果我们从isotopically纯silicon-28——“纳米线”吴说。
硅同位素不是一个很容易在公开市场上购买,和单词,蒸机仍有一些晶体硅同位素在伯克利国家实验室的存储-不是很多,但仍然足以分享“如果有人知道如何使用它,”蒸机说。”和Junqiao的新研究这种情况下。”
一个令人惊讶的大揭示纳米测试
“我们真的幸运,乔尔发生isotopically丰富的硅材料研究准备使用,“吴说。
使用蒸机硅同位素资料,吴团队测试导热散装1-millime欧洲杯足球竞彩ter-size silicon-28晶体与自然硅——再一次,他们的实验证实了蒸机和他的合作者年前发现大部分silicon-28导热硅比自然只有10%。
现在纳米测试。使用了一种叫做化学蚀刻,Ci自然和silicon-28硅纳米线直径90纳米(十亿分之一米)——大约比单一的人类头发细一千倍。
测量导热系数,Ci暂停两个microheater垫之间每个纳米线配备铂电极和温度计,然后应用电流产生热量的电极垫,通过纳米线流到另一台上。
”我们只希望看到增量效益——20%——使用isotopically纯纳米线材料热传导,”吴说。
但Ci的测量都惊讶。Si-28纳米线进行了热不是10%甚至20%,但是150%比天然硅纳米线具有相同直径和表面粗糙度。
这种不顾他们期望看到的一切,吴说。纳米线的粗糙表面通常声子放缓下来。所以发生了什么-
高分辨率透射电镜(透射电子显微镜)的图像材料被马修·r·琼斯和Muhua太阳莱斯大学发现的第一个线索:玻璃样的一层二氧化硅silicon-28纳米线表面。
计算仿真实验在马萨诸塞大学阿默斯特由伊Aksamija首屈一指的专家在纳米线的热导率,表明缺乏同位素的“缺陷”——silicon-29和silicon-30——阻止声子逃往表面的二氧化硅层将大大降低了声子。这反过来使声子正轨沿热流的方向——因此少“困惑”——在silicon-28纳米线的“核心”。(Aksamija is currently an associate professor of materials science and engineering at the University of Utah.)
“这真是意想不到的。发现两个独立phonon-blocking机制——表面与同位素,而以前被认为是相互独立的,现在我们的利益在协同工作导热非常惊讶也非常满意,“吴说。
“Junqiao和团队发现了一种新的物理现象,”蒸机说。“这是一个真正的科学好奇心的胜利。欧洲杯线上买球这很令人兴奋。”
吴邦国说,球队未来计划将他们的发现到下一个步骤:通过调查如何“控制,而不是仅仅测量,在这些材料热传导。”欧洲杯足球竞彩
赖斯大学的研究人员;大学在一起;深圳大学,清华大学参加了实验。
这项工作是由美国能源部科学办公室。欧洲杯线上买球
