纳米尺度富勒烯电子器件可自行制冷

2011-4-07 09:02 来源: 中国科学院
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  近日,美国伊利诺伊大学研究人员宣布,他们用原子力显微镜探针检测了与富勒烯(石墨单原子层)接触点的热电效应,首次发现富勒烯晶体管在纳米尺度具有自行制冷效应,能降低自身温度。该研究成果发表在4月3日网络版的《自然·纳米技术》杂志上。

  计算机芯片的速度和尺寸大小受制于散热效果。电流通过设备材料由于碰撞而产生热,这种现象称为电阻热,这种热大大超过了给设备局部制冷的电效应,因此绝大部分电子设备都需要散热。使用硅芯片的计算机要用风扇或流水给晶体管制冷,这一过程消耗了大量的电能。

  未来由富勒烯制造的计算机芯片,比硅芯片速度更快更省电。但由于富勒烯太薄,人们对它的发热散热机制一直不太了解。由伊利诺伊大学机械科学与工程教授威廉姆·金和该校微尺度与纳米技术实验室电学与计算机工程教授埃里克·波普共同领导的研究小组,用一种原子力显微镜探针(AFM tip)作为温度计,扫描了一个富勒烯—金属接头,首次测量了富勒烯晶体管在工作过程中的温度。他们发现,在富勒烯晶体管和金属接触点,热电制冷效应比电阻发热效应更强,晶体管的温度更低。

  “在硅和大部分材料中,电热效应比它们的制冷效应要强得多。”金解释说,“但我们发现在富勒烯晶体管中,存在一个制冷效果比电阻热更强的区域,让它们能自行冷却。以前从未发现过富勒烯设备有这种自行制冷效应。”而这种自行制冷效应意味着,富勒烯电子设备不需要制冷,或只要很少的制冷,将带来更高的能效,进一步加大了富勒烯作为硅替代品的吸引力。

  波谱表示,富勒烯电子设备还处在初级阶段,这一新发现将使它在热电方面的应用得到加强。下一步,他们打算用AFM温度探针来研究碳纳米管及其他材料的冷热效应。