Veijo Hänninen

Lämmönhallintaa nanotasolla

Lämpö on yksi käytännön teknisten materiaalien toimintoja rajoittava tai edistävät tekijä. Siksi lämmönhallinta on kiinnostava aihe kun materiaaleissa mennään nanometrien tasolle.

Monimutkaisia materiaaleja, kuten orgaanisia puolijohteita tai mikrohuokoisia metalli-orgaanisia kehyksiä, jotka tunnetaan nimellä MOF, käytetään jo lukuisissa sovelluksissa, kuten OLED-näytöissä, aurinkokennoissa, kaasuvarastoissa ja vedenpoistossa.

Siitä huolimatta niillä on edelleen muutamia salaisuuksia. Yksi niistä on tähän mennessä ollut yksityiskohtainen ymmärrys siitä, kuinka lämpöenergiaa niissä siirtyy.

Egbert Zojerin tutkimusryhmä Grazin teknillisen yliopiston (TU Graz) yhteistyössä Wienin ja Cambridgen yliopistojen kollegoiden kanssa on nyt murtanut tämän salaisuuden käyttämällä orgaanisten puolijohteiden esimerkkiä ja avannut uusia näkökulmia innovatiivisten materiaalien kehittämiseen, joilla on mukautetut lämpöominaisuudet.

"Orgaanisien puolijohteiden varauksen siirtoja on tutkittu noin 40 vuoden ajan, mutta kukaan ei ole koskaan tarkastellut niiden lämmönsiirron yksityiskohtaisia mekanismeja", Egbert Zojer selittää.

"Materiaalien perusominaisuudet ovat kuitenkin meille erittäin mielenkiintoisia, ja saamamme oivallukset lämmönsiirrosta orgaanisissa puolijohteissa ovat suoraan tärkeitä myös monille muille monimutkaisille materiaaleille. Tämä koskee sekä materiaaleja, joissa alhaisella lämmönjohtavuudella on tarkoitus saavuttaa suuri lämpösähkövaikutus, että materiaaleja, jotka on tarkoitettu tuottamaan tai haihduttamaan lämpöenergiaa tehokkaasti korkealla lämmönjohtavuudella."

Koneoppiminen avittaa

Tutkimusryhmä saavutti etsityn läpimurron hyödyntämällä koneoppimista kontekstissa, joka ei tyypillisesti ole keskipisteessä tekoälyn sovellusten käsittelyssä.

Empiiristen havaintojen korrelaatioiden etsimisen sijaan tutkijat etsivät kausaaleja aiemmin kehittämiensä strategioiden perusteella erityisen tehokkaiden koneopittujen potentiaalien hyödyntämiseksi. He halusivat selvittää, miten ja miksi lämpö jakautuu tietyllä tavalla materiaalin sisällä. Aikaisemmissa selityksissä lämmönsiirrosta oletettiin vain partikkelimaista fononien kuljetusta myös monimutkaisille kiteisille materiaaleille, kuten orgaanisille puolijohteille.

Fononit ovat tässä yhteydessä hilavärähtelyihin määrättyjä energiapaketteja, joiden kulkua kuvataan tyypillisesti samalla tavalla kuin kaasuhiukkasten kuljetusta. Uudet havainnot osoittavat kuitenkin, että fononien tunnelikuljetuksella on ratkaiseva rooli.

Molekyylipituus on ratkaiseva tekijä

Tunneloiva kuljetus perustuu kiinteiden aineiden atomivärähtelyjen aaltomaiseen luonteeseen ja on erityisen tärkeä monimutkaisissa materiaaleissa, joilla on alhainen lämmönjohtavuus. On osoitettu, että tästä kuljetusmekanismista tulee tärkeämpi orgaanisen puolijohdekiteen muodostavien molekyylien koon myötä.

"Voit kuvitella, että lämmön siirtyminen ei ole vain värähtelykvanttien törmäysten määräämä, vaan myös 'tunnelointivaikutus', joka yhdistää kaksi erillistä värähtelytilaa toisiinsa", sanoo julkaisun kirjoittaja Lukas Legenstein. "Tämä löydös ei vain selitä sitä, miksi tiettyjen orgaanisten puolijohteiden lämmönjohtavuus on epätavallisen alhainen, vaan se mahdollistaa myös materiaalien kohdennetumman suunnittelun, jolla on tietyt lämpöominaisuudet.

Nyt voimme vaikuttaa lämmönjohtavuuteen suunnittelemalla erityisesti molekyylirakennetta." Tämän seurauksena tutkijat haluaisivat soveltaa tätä uutta tietoa monipuolisiin MOF:eihin, sillä lämmönsiirrolla on ratkaiseva rooli käytännössä kaikissa tämän luokan materiaalien mahdollisissa sovelluksissa – jopa enemmän kuin orgaanisten puolijohteiden kohdalla.

Lämmönhallintaa kytkimillä

Lämpökytkimet, jotka ohjaavat sähköisesti lämmönsiirtoa, ovat välttämättömiä kehittyneiden lämmönhallintajärjestelmien kehittämiseksi. Historiallisesti sähkökemiallisia lämpökytkimiä on rajoittunut alioptimaalinen suorituskyky, mikä estää niiden laajaa hyödyntämistä elektroniikka-, energia- ja hukkalämmön talteenottosektoreilla.

Tutkimusryhmä, jota johti professori Hiromichi Ohta Hokkaidon yliopistosta, käytti uutta lähestymistapaa ceriumoksidiohutkalvojen (CeO2) hyödyntämisessä lämpökytkimien aktiivisena materiaalina, mikä tarjoaa erittäin tehokkaan ja kestävän vaihtoehdon.

Tutkimusryhmä osoitti, että CeO2-pohjainen lämpökytkimen suorituskyky voi ylittää aiemmat vertailuarvot. "Uuden suoritusarvot luovat uuden vertailukohdan sähkökemiallisille lämpökytkimille", Ohta selittää.

Lämmönjohtavuus minimitilassa (off-state) on 2,2 W/m·K, mutta hapettuneessa tilassa (on-state) se nousee merkittävästi arvoon 12,5 W/m·K.

Nämä suorituskykymittarit pysyvät yhtenäisinä 100 pelkistys- ja hapetusjakson jälkeen, mikä osoittaa huomattavaa kestävyyttä ja luotettavuutta käytännön sovelluksissa."

Tämän tekniikan merkittävä etu on ceriumoksidin hyödyntäminen, maaperässä runsaasti esiintyvä aine, joka tunnetaan taloudellisesta kannattavuudestaan ja ekologisesta kestävyydestään. Toisin kuin perinteiset lämpökytkimet, jotka riippuvat niukoista ja kalliista materiaaleista, CeO2 tarjoaa kestävän ja helposti saatavilla olevan vaihtoehdon, joka vähentää kustannuksia ja lämmönhallintaratkaisujen ekologista jalanjälkeä.

Tämä parantaa teknologian tehokkuutta, skaalautuvuutta ja sovellettavuutta eri teollisuudenaloilla.

Nanopiirien lämmönhallintaa

Uuden sukupolven sirutehokkuuden vapauttaminen: Tutkijat vahvistavat termisiä havaintoja pienistä piireistä

Harppauksessa kohti yhä tehokkaampia tietokonesiruja Virginian yliopiston tutkijat ovat vahvistaneet keskeisen periaatteen, joka ohjaa lämpövirtausta ohuissa metallikalvoissa – kriittinen komponentti kilpailussa nopeampien, pienempien ja tehokkaampien piirien suunnittelussa.

Julkaistu työ tarjoaa läpimurron ymmärryksessä, siitä kuinka lämmönjohtavuus toimii metalleissa, joita käytetään seuraavan sukupolven siruissa, avaten mahdollisuuksia tekniikan kehitykseen sellaisissa mittakaavoissa, joita pidettiin aiemmin saavuttamattomina.

"Kun laitteet kutistuvat edelleen, lämmön hallinnan tärkeydestä tulee ensiarvoisen tärkeä", sanoi johtava tutkija ja mekaaninen ja ilmailutekniikan tohtoriopiskelija Rafiqul Islam.

Lämpö nanomittakaavassa

Kupari, jota käytetään laajasti erinomaisten johtamisominaisuuksiensa vuoksi, kohtaa merkittäviä haasteita, kun piirirakenteet skaalautuvat nanomittoihin. Näin pienessä mittakaavassa jopa parhaiden materiaalien suorituskyky heikkenee lisääntyneen lämmön vuoksi – ilmiö, joka voimistuu kuparissa, mikä johtaa heikompaan johtavuuteen ja tehokkuuteen.

>Tämän ratkaisemiseksi UVA-tiimi keskittyi lämpötieteen keskeiseen osaan, joka tunnetaan Matthiessenin sääntönä ja jonka he validoivat erittäin ohuissa kuparikalvoissa. Sääntöä, joka perinteisesti auttaa ennustamaan, kuinka erilaiset sirontaprosessit vaikuttavat elektronien virtaukseen, ei ole koskaan aiemmin vahvistettu nanomittakaavan materiaaleissa.

Käyttäen steady-state thermoreflectance (SSTR) -menetelmää, tiimi mittasi kuparin lämmönjohtavuuden ja tarkasti ristiin sen sähköisen ominaisresistanssin datan kanssa. Tämä suora vertailu osoitti, että Matthiessenin sääntö, kun sitä sovelletaan tietyillä parametreilla, kuvaa luotettavasti tapaa, jolla lämpö liikkuu kuparikalvojen läpi jopa nanomittakaavan paksuuksilla.

Miksi tällä on väliä?

Erittäin suuren mittakaavan integraatioteknologian (VLSI) maailmassa, jossa piirit on pakattu uskomattoman ahtaisiin tiloihin, tehokas lämmönhallinta johtaa suoraan parempaan suorituskykyyn. Tämä tutkimus ei ainoastaan viittaa tulevaisuuteen, jossa laitteemme toimivat viileämmin, vaan lupaavat myös vähentää lämmössä menetettyä energiaa – mikä on kestävän teknologian kiireellinen huolenaihe.

Vahvistamalla, että Matthiessenin sääntö pätee jopa nanomittakaavan mitoissa, tiimi on tasoittanut tietä materiaalien jalostamiselle, jotka yhdistävät piirejä edistyneissä tietokonesiruissa, mikä on asettanut materiaalien käyttäytymiselle standardin, johon valmistajat voivat luottaa.

Tämän tutkimuksen menestys edustaa UVA:n, Intelin ja Semiconductor Research Corporationin välistä yhteistyötä, joka korostaa akateemisen ja teollisuuden kumppanuuksien vahvuutta. Löydökset lupaavat merkittäviä sovelluksia seuraavan sukupolven CMOS-teknologian kehittämisessä, joka on nykyaikaisen elektroniikan selkäranka.

Ledivalojen hukkalämpö taivaalle

Lämmönhallinta on kriittinen haaste myös puolijohtevaloa emittoiville diodeille (LED), koska riittämätön lämmönpoisto heikentää valotehokkuutta ja lyhentää laitteiden käyttöikää. Siksi tarvitaan kiireellisesti tehokkaampia jäähdytysstrategioita LED-valojen energiatehokkuuden parantamiseksi.

King Abdullahin tiede- ja teknologiayliopiston (KAUST) ja kumppanit ovat osoittaneet kuinka nanomateriaalit voivat vähentää merkittävästi LED-katuvalojen hiilipäästöjä.

Nanomateriaali, jota kutsutaan nanoPE:ksi, lisää lämpösäteilyn emissiota LEDin pinnasta ja alentaen siten LEDin lämpötilaa. Vaikka tehokkaita ovatkin, LEDien syöttöenergiasta noin 75 % häviää lopulta lämmöksi.

Tyypilliset LED-katuvalot suuntaavat valonsa kohti valaistavaa kohdetta, minkä vuoksi ne osoittavat maata kohti. Ne on myös suunniteltu siten, että lämpösäteily jää loukkuun LEDin sisään. Toisaalta nanoPE:llä päällystetyt katuvalot käännetään kirjaimellisesti ylösalaisin niin, että ne suuntautuvat taivaalle ja poispäin valaistavasta kohteesta.

Syynä tähän inversioon on se, että NanoPE on suunniteltu siten, että infrapunavalo, joka on suurin lämpösäteilystä vastuussa oleva valo, kulkee sen läpi samalla kun näkyvä valo heijastuu. Tutkimus osoitti, että yli 80 % nanoPE:llä päällystettyjen LED-katuvalojen lähettämästä infrapunavalosta kulkee nanoPE:n läpi ja jatkaa kohti taivasta. Sitä vastoin yli 95 % emittoidusta näkyvästä valosta heijastuu nanoPE:stä takaisin maahan valaisten alla olevan alueen.

NanoPE perustuu polyeteeniin, joka on maailman laajimmin valmistettu muovi. Luodakseen nanomuovin, joka heijastaa pieniaallonpituista valoa (näkyvää valoa), mutta läpäisee korkean aallonpituuden (infrapuna), tutkijat tekivät huolellisesti muoviin jopa 30 nm:n huokoset sekä venyttäen ja muuttaen sitä ohuemmaksi levyksi.