解決芯片發(fā)熱問題的新方法

但現(xiàn)在，科學(xué)家們已經(jīng)開發(fā)出一種人造材料，它是有史以來最好的一種材料，可以在一個(gè)方向上傳導(dǎo)熱量，同時(shí)在其他方向上保持熱量與周圍環(huán)境隔絕。這項(xiàng)研究有朝一日可能會(huì)幫助微芯片在不因過熱而中斷的情況下變得更強(qiáng)大。

隨著電子產(chǎn)品的不斷小型化，在給定的空間中會(huì)產(chǎn)生更多的熱量，這使得熱控制成為電子設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。“如果你的電腦或筆記本電腦過熱，這可能是一個(gè)安全問題，”該研究的主要作者，芝加哥大學(xué)的分子工程師Shi En Kim說。
熱管理的最新進(jìn)展包括所謂的各向異性熱導(dǎo)體。在這些材料中，熱量在一個(gè)方向上比其他方向流動(dòng)得更快。
許多天然晶體結(jié)構(gòu)是強(qiáng)各向異性的熱導(dǎo)體——例如，對于石墨，熱量沿其快軸傳導(dǎo)的速度比慢軸快約 340 倍。然而，這些天然材料通常難以用于大規(guī)模制造技術(shù)，并且可能缺乏設(shè)備所需的各種電學(xué)或光學(xué)特性。相比之下，大多數(shù)人工結(jié)構(gòu)材料都是不良的各向異性熱導(dǎo)體，在室溫下通常具有小于 20 的快慢熱流比。
現(xiàn)在，科學(xué)家們創(chuàng)造了一種人造材料，其在室溫下的快慢熱流比高達(dá)約 880，這是有史以來最高的熱流比之一。他們在 9 月 30 日的《自然》雜志上詳細(xì)介紹了他們的發(fā)現(xiàn)。
該技術(shù)的秘訣在于使用由原子級薄層堆疊膜組成的材料——二硫化鉬。在這種情況下，這些層通過稱為范德華相互作用的弱電力保持在一起，這種力通常會(huì)使膠帶發(fā)粘。其他分層范德華材料包括石墨和所謂的過渡金屬二硫?qū)倩铩?/span>
二硫化鉬在兩個(gè)維度上有效地堆疊漏斗熱量，但不是第三個(gè)維度。絕緣效應(yīng)背后的關(guān)鍵是相鄰薄膜的晶格如何相對于彼此旋轉(zhuǎn)。（想象一堆棋盤，每塊棋盤都旋轉(zhuǎn)，這樣它的方格就不會(huì)與相鄰的方格對齊。）
在這些堆棧中，熱的主要載體是聲子（phonons），即由晶體晶格結(jié)構(gòu)中的振動(dòng)組成的準(zhǔn)粒子。當(dāng)相鄰的硫化鉬薄膜堆疊起來使其晶格對齊時(shí)，聲子很容易向各個(gè)方向流動(dòng)，盡管在層內(nèi)效率更高。然而，當(dāng)這些晶格相對于彼此旋轉(zhuǎn)時(shí)，聲子只能在層內(nèi)有效地流動(dòng)。
當(dāng)科學(xué)家使用這些疊層涂覆僅 15 納米高和 100 納米寬的金電極時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)電極可以承載更多電流而不會(huì)過熱并阻止熱量到達(dá)設(shè)備表面?！拔覀兿嘈盼覀兊牟牧峡捎糜陔娮赢a(chǎn)品的熱管理，”Kim 說。
Kim 指出，他們之所以選擇用二硫化鉬進(jìn)行試驗(yàn)，是因?yàn)樗麄冎伴_發(fā)了生長這種材料的大薄膜的方法。原則上，由其他原子級薄材料（例如石墨烯）制成的堆?？梢员憩F(xiàn)得同樣或更好。她指出，未來的研究還可以調(diào)查由兩種或多種不同材料堆疊而成的所謂異質(zhì)結(jié)構(gòu)的性能。
Kim 警告說，對于他們的實(shí)驗(yàn)，“我們的薄膜是手工堆疊的，這不是一種非?？蓴U(kuò)展的制造非常厚薄膜的方法。最終這些材料可能會(huì)有實(shí)際應(yīng)用，但需要解決一些問題以使其生產(chǎn)可擴(kuò)展?！?/span>