Ultra Thin Bars Of Silicon 777x833 1 2
Thông tin công nghệ

Các nhà vật lý giải quyết một bí ẩn quy mô nano phức tạp có thể giúp ngăn ngừa quá nhiệt trong thiết bị điện tử

Một tia laser làm nóng các thanh silicon siêu mỏng. Tín dụng: Steven Burrows / JILA

Một nhóm các nhà vật lý tại CU Boulder đã giải đáp được bí ẩn đằng sau hiện tượng bối rối trong lĩnh vực nano: tại sao một số nguồn nhiệt siêu nhỏ lại nguội nhanh hơn nếu bạn gói chúng lại gần nhau hơn. Các phát hiện sẽ được công bố trong tuần này trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), một ngày nào đó có thể giúp ngành công nghệ thiết kế các thiết bị điện tử nhanh hơn và ít nóng hơn.

“Thường thì nhiệt là một thách thức cần cân nhắc trong việc thiết kế các thiết bị điện tử. Joshua Knobloch, đồng tác giả nghiên cứu sau tiến sĩ tại JILA, một viện nghiên cứu chung giữa CU Boulder và Viện Công nghệ và Tiêu chuẩn Quốc gia (NIST), cho biết. “Mục tiêu của chúng tôi là hiểu vật lý cơ bản liên quan để chúng tôi có thể chế tạo các thiết bị trong tương lai nhằm quản lý hiệu quả dòng nhiệt”.

Nghiên cứu bắt đầu với một quan sát không giải thích được. Vào năm 2015, các nhà nghiên cứu dẫn đầu bởi các nhà vật lý Margaret Murnane và Henry Kapteyn tại JILA đã thử nghiệm với các thanh kim loại mỏng hơn nhiều lần so với chiều rộng của sợi tóc người trên đế silicon. Khi họ đốt nóng những thanh đó bằng tia laser, một điều kỳ lạ đã xảy ra.

Knobloch nói: “Họ đã cư xử rất ngược đời. “Các nguồn nhiệt quy mô nano này thường không tản nhiệt hiệu quả. Nhưng nếu bạn đóng gói chúng gần nhau, chúng sẽ nguội nhanh hơn nhiều ”.

Bây giờ, các nhà nghiên cứu biết tại sao điều này xảy ra.

Trong nghiên cứu mới, họ đã sử dụng các mô phỏng dựa trên máy tính để theo dõi sự truyền nhiệt từ các thanh có kích thước nano của chúng. Họ phát hiện ra rằng khi đặt các nguồn nhiệt gần nhau, năng lượng dao động do chúng tạo ra bắt đầu phản xạ lại nhau, phân tán nhiệt ra xa và làm nguội các thanh.

Kết quả của nhóm cho thấy một thách thức lớn trong việc thiết kế thế hệ tiếp theo của các thiết bị nhỏ bé, chẳng hạn như bộ vi xử lý hoặc chip máy tính lượng tử: Khi bạn thu nhỏ xuống quy mô rất nhỏ, nhiệt không phải lúc nào cũng hoạt động theo cách bạn nghĩ.

Nguyên tử bởi nguyên tử

Các nhà nghiên cứu cho biết thêm, việc truyền nhiệt trong các thiết bị là rất quan trọng. Ngay cả những sai sót nhỏ trong thiết kế của thiết bị điện tử như chip máy tính cũng có thể khiến nhiệt độ tăng lên, gây thêm hao mòn cho thiết bị. Khi các công ty công nghệ cố gắng sản xuất các thiết bị điện tử ngày càng nhỏ hơn, họ sẽ cần chú ý hơn bao giờ hết đến các phonon – dao động của các nguyên tử mang nhiệt trong chất rắn.

Knobloch nói: “Dòng nhiệt liên quan đến các quá trình rất phức tạp nên khó kiểm soát. “Nhưng nếu chúng ta có thể hiểu cách thức hoạt động của các phonon ở quy mô nhỏ, thì chúng ta có thể điều chỉnh cách vận chuyển của chúng, cho phép chúng ta chế tạo các thiết bị hiệu quả hơn.”

Để làm được điều đó, Murnane và Kapteyn và nhóm các nhà vật lý thực nghiệm của họ đã hợp tác với một nhóm các nhà lý thuyết do Mahmoud Hussein, giáo sư tại Khoa Khoa học Kỹ thuật Hàng không Vũ trụ Ann và HJ Smead đứng đầu. Nhóm của ông chuyên về mô phỏng, hoặc mô hình hóa chuyển động của các phonon.

“Ở quy mô nguyên tử, bản chất của sự truyền nhiệt xuất hiện trong một ánh sáng mới”, Hussein, người cũng có một cuộc hẹn lịch sự tại Khoa Vật lý cho biết.

Về cơ bản, các nhà nghiên cứu đã tạo lại thí nghiệm của họ từ vài năm trước, nhưng lần này, hoàn toàn trên máy tính. Họ đã tạo mô hình một loạt các thanh silicon, đặt cạnh nhau giống như các thanh trong đường ray xe lửa, và đốt nóng chúng lên.

Knobloch nói rằng các mô phỏng chi tiết đến mức nhóm có thể theo dõi hành vi của từng nguyên tử trong mô hình — hàng triệu nguyên tử trong số đó — từ đầu đến cuối.

Ông nói: “Chúng tôi đã thực sự thúc đẩy giới hạn bộ nhớ của Siêu máy tính Hội nghị thượng đỉnh tại CU Boulder.

Chỉ đạo nhiệt

Kỹ thuật này đã được đền đáp. Ví dụ, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng khi họ đặt các thanh silicon đủ xa nhau, nhiệt có xu hướng thoát ra khỏi các vật liệu đó theo cách có thể đoán trước được. Năng lượng rò rỉ từ các thanh và vào vật liệu bên dưới chúng, tiêu tán theo mọi hướng.

Tuy nhiên, khi các thanh xích lại gần nhau hơn, một chuyện khác đã xảy ra. Khi sức nóng từ các nguồn đó phân tán, nó buộc năng lượng đó chảy mạnh hơn theo một hướng đồng đều ra khỏi các nguồn — giống như một đám đông trong sân vận động xô đẩy nhau và cuối cùng nhảy ra khỏi lối ra. Nhóm nghiên cứu biểu thị hiện tượng này là “kênh dẫn nhiệt định hướng.”

Knobloch cho biết: “Hiện tượng này làm tăng sự vận chuyển nhiệt xuống chất nền và tránh xa các nguồn nhiệt.

Các nhà nghiên cứu nghi ngờ rằng một ngày nào đó, các kỹ sư có thể khai thác hành vi bất thường này để xử lý tốt hơn cách nhiệt lưu thông trong các thiết bị điện tử nhỏ — hướng năng lượng đó theo một đường mong muốn, thay vì để nó chạy lung tung.

Hiện tại, các nhà nghiên cứu xem nghiên cứu mới nhất là những gì các nhà khoa học từ các lĩnh vực khác nhau có thể làm khi họ làm việc cùng nhau.

Murnane, giáo sư của vật lý học.

Tham khảo: “Kênh nhiệt có hướng: Một hiện tượng được kích hoạt bởi sự đóng gói chặt chẽ của các nguồn nhiệt” ngày 20 tháng 9 năm 2021, Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia .
DOI: 10.1073 / pnas.2109056118

Nghiên cứu này được hỗ trợ bởi Trung tâm Khoa học và Công nghệ của Quỹ Khoa học Quốc gia STROBE về Hình ảnh Chức năng Thời gian Thực.

Các đồng tác giả CU Boulder khác trong nghiên cứu mới bao gồm Hossein Honarvar, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ về khoa học kỹ thuật hàng không vũ trụ và JILA và Brendan McBennett, một sinh viên tốt nghiệp tại JILA. Các nhà nghiên cứu cũ của JILA là Travis Frazer, Begoña Abad và Jorge Hernandez-Charpak cũng đóng góp vào nghiên cứu.

Theo Scitechdaily

What's your reaction?

Excited
0
Happy
0
In Love
0
Not Sure
0

You may also like

Leave a reply

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

Website này sử dụng Akismet để hạn chế spam. Tìm hiểu bình luận của bạn được duyệt như thế nào.