Grafeno pagrindo elektronika: stebėtas savaiminis aušinimosi reiškinys

Mokslininkų komanda, vadovaujama mechanikos ir inžinerijos profesoriaus Viljamo Kingo (William King) bei kompiuterių inžinerijos profesoriaus Eriko Popo (Eric Pop), savo darbą išspausdino prestižiniame „Nature Nanotechnology“ žurnale.

Kompiuterių lustų spartą ir dydį riboja jų išskiriamas šilumos kiekis. Visa elektronika veikdama išskiria šilumą dėl elektros srovę sudarančių elektronų susidūrimų su prietaisų medžiagos vidinėmis struktūromis. Šis reiškinys yra vadinamas varžiniu šilumos išsiskyrimu ir jis nustelbia kitus ne tokius intensyvius termoelektrinius reiškinius, galinčius lokaliai atvėsinti įrenginį. Kompiuteriuose, kuriuose įmontuoti silicio lustai, naudojami aušintuvai arba vandens srovė tam, kad būtų atvėsinti tranzistoriai. Šis procesas reikalauja nemažos energijos dalies, kuri tiekiama įrenginiui.

Ateities kompiuterių lustai, pagaminti iš grafeno – vieno atomo storio anglies plėvelės – bus spartesni už silicio lustus ir naudos mažiau energijos. Tačiau dėl itin mažo mastelio tyrėjams sunku nagrinėti šilumos susidarymo ir pasiskirstymo mechanizmus, vyraujančius grafene.

Ilinojaus universiteto komanda panaudojo atominės jėgos mikroskopo adatėlę kaip temperatūros zondą, kad pirmąkart atliktų nanometrinius veikiančio grafeno tranzistoriaus temperatūros matavimus. Matavimai leido pamatyti stebinantį efektą, pasireiškiantį taškuose, kuriuose grafenas liečiasi su metalinėmis jungtimis. Mokslininkai aptiko, kad grafeno kontakto vietose termoelektrinis aušinimo efektas gali būti stipresnis už varžinį šilumos išssikyrimą, o tai mažina tranzistoriaus temperatūrą.

„Silicyje ir daugelyje kitų medžiagų elektroninis šilumos išsiskyrimas yra didesnės apimties už savaiminį aušinimąsi, – teigia V. Kingas. – Tačiau mes aptikome, kad šiuose grafeno tranzistoriuose yra sričių, kuriose termoelektrinis aušinimas gali nukonkuruoti varžinį šilumos išsiskyrimą, o tai leidžia šiems prietaisams patiems save atsiaušinti. Šis reiškinys iki šiol nebuvo stebėtas grafeno įrenginiuose“.

Iš tikrųjų toks efektas reiškia, kad grafeno pagrindo elektronikai gali prireikti mažiau arba iš viso neprireikti aušinimo. Tai dar labiau sumažintų energijos suvartojimą ir padidintų grafeno, kaip silicio pakaitalo, populiarumą. „Nors grafeno pagrindo elektronika yra vis dar savo kūdikystėje, mūsų matavimai ir modeliavimai rodo, kad termoelektriniai efektai tobulėjant grafeno tranzistorių technologijai įgaus didesnę svarbą“, – prideda E. Popas.

Toliau tyrėjų komanda atominės jėgos mikroskopo temperatūros zondą ketina panaudoti šilumos išsiskyrimo ir vėsimo reiškinių anglies nanovamzdeliuose ir kitose nanomedžiagose nagrinėjimui.