Si su computadora portátil o teléfono celular comienza a sentirse caliente después de jugar horas de videojuegos o ejecutar demasiadas aplicaciones a la vez, esos dispositivos realmente están haciendo su trabajo.
Es fundamental reducir el calor de los circuitos en las entrañas de una computadora al ambiente exterior: los chips de computadora sobrecalentados pueden hacer que los programas se ejecuten más lentamente o se congelen, apaguen el dispositivo por completo o causen daños permanentes.
A medida que los consumidores exigen dispositivos electrónicos más pequeños, más rápidos y más potentes que consuman más corriente y generen más calor, el problema de la gestión del calor está llegando a un cuello de botella. Con la tecnología actual, existe un límite para la cantidad de calor que se puede disipar delDe adentro hacia afuera.
Investigadores de la Universidad de Texas en Dallas y sus colaboradores en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign y la Universidad de Houston han creado una solución potencial, descrita en un estudio publicado en línea el 5 de julio en la revista ciencia .
Bing Lv pronunciado "amor", profesor asistente de física en la Facultad de Ciencias Naturales y Matemáticas de UT Dallas, y sus colegas produjeron cristales de un material semiconductor llamado arseniuro de boro que tiene una conductividad térmica extremadamente alta, una propiedad quedescribe la capacidad de un material para transportar calor.
"La gestión del calor es muy importante para las industrias que dependen de chips de computadora y transistores", dijo Lv, un autor correspondiente del estudio. "Para la electrónica pequeña de alta potencia, no podemos usar metal para disipar el calor porque el metal puede causar uncortocircuito. No podemos aplicar ventiladores de refrigeración porque ocupan espacio. Lo que necesitamos es un semiconductor económico que también disperse mucho calor ".
La mayoría de los chips de computadora actuales están hechos del elemento silicio, un material semiconductor cristalino que hace un trabajo adecuado de disipación de calor. Pero el silicio, en combinación con otra tecnología de enfriamiento incorporada en los dispositivos, solo puede manejar una cantidad considerable.
El diamante tiene la conductividad térmica más alta conocida, alrededor de 2.200 vatios por metro-kelvin, en comparación con aproximadamente 150 vatios por metro-kelvin para silicio. Aunque el diamante se ha incorporado ocasionalmente en aplicaciones exigentes de disipación de calor, el costo de los diamantes naturales y estructuralesLos defectos en las películas de diamante hechas por el hombre hacen que el material no sea práctico para su uso generalizado en electrónica, dijo Lv.
En 2013, investigadores del Boston College y el Laboratorio de Investigación Naval publicaron investigaciones que predijeron que el arseniuro de boro podría funcionar tan bien como el diamante como un difusor de calor. En 2015, Lv y sus colegas de la Universidad de Houston produjeron con éxito tales cristales de arseniuro de boro, pero el material tenía una conductividad térmica bastante baja, alrededor de 200 vatios por metro-kelvin.
Desde entonces, el trabajo de Lv en UT Dallas se ha centrado en optimizar el proceso de crecimiento de cristales para aumentar el rendimiento del material.
"Hemos estado trabajando en esta investigación durante los últimos tres años, y ahora hemos conseguido una conductividad térmica de hasta aproximadamente 1,000 vatios por metro-kelvin, que solo es superada por el diamante en materiales a granel", dijo Lv.
Lv trabajó con el asociado de investigación postdoctoral Sheng Li, coautor principal del estudio, y con el estudiante de doctorado de física Xiaoyuan Liu, también autor del estudio, para crear los cristales de alta conductividad térmica en UT Dallas utilizando una técnica llamada transporte de vapor químico.Las materias primas, los elementos boro y arsénico, se colocan en una cámara que está caliente en un extremo y fría en el otro. Dentro de la cámara, otra sustancia química transporta el boro y el arsénico desde el extremo caliente al extremo más frío, donde ellos elementos se combinan para formar cristales.
"Para saltar de nuestros resultados anteriores de 200 vatios por metro kelvin hasta 1,000 vatios por metro kelvin, necesitábamos ajustar muchos parámetros, incluidas las materias primas con las que comenzamos, la temperatura y la presión de la cámara, incluso eltipo de tubería que usamos y cómo limpiamos el equipo ", dijo Lv.
Los grupos de investigación de David Cahill y Pinshane Huang en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign desempeñaron un papel clave en el trabajo actual, estudiando defectos en los cristales de arseniuro de boro mediante microscopía electrónica de última generación y midiendo la conductividad térmica deLos cristales muy pequeños producidos en UT Dallas.
"Medimos la conductividad térmica usando un método desarrollado en Illinois durante los últimos doce años llamado 'termorreflectancia en el dominio del tiempo' o TDTR", dijo Cahill, profesor y jefe del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales y autor correspondiente delestudio "TDTR nos permite medir la conductividad térmica de casi cualquier material en una amplia gama de condiciones y fue esencial para el éxito de este trabajo".
La forma en que el calor se disipa en el arseniuro de boro y otros cristales está vinculada a las vibraciones del material. A medida que el cristal vibra, el movimiento crea paquetes de energía llamados fonones, que pueden considerarse como cuasipartículas que transportan calor. Lv dijo que el únicoLas características de los cristales de arseniuro de boro, incluida la diferencia de masa entre los átomos de boro y arsénico, contribuyen a la capacidad de los fonones para viajar más eficientemente lejos de los cristales.
"Creo que el arseniuro de boro tiene un gran potencial para el futuro de la electrónica", dijo Lv. "Sus propiedades semiconductoras son muy comparables al silicio, por lo que sería ideal incorporar arseniuro de boro en dispositivos semiconductores".
Lv dijo que si bien el elemento arsénico por sí solo puede ser tóxico para los humanos, una vez que se incorpora a un compuesto como el arseniuro de boro, el material se vuelve muy estable y no tóxico.
El siguiente paso en el trabajo incluirá probar otros procesos para mejorar el crecimiento y las propiedades de este material para aplicaciones a gran escala, dijo Lv.
La investigación fue apoyada por la Oficina de Investigación Naval y la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Texas en Dallas . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :