تمكنت لأول مرة من تطوير تقنية لقياس الطاقة وتبديد الحرارة في الترانزستورات المبنية من أنابيب الكربون النانوية - وذلك لمنع هذه المكونات من تدمير نفسها في عمليات التسخين الذاتي، وذلك كجزء من البحث عن تكنولوجيا لاستبدال السيليكون.
يكشف علماء شركة IBM عن اختراق بحثي في مجال الإلكترونيات النانوية. نجح الباحثون في مختبر IBM في يوركتاون بنيويورك لأول مرة في تطوير تقنية لقياس الطاقة وتبديد الحرارة في الترانزستورات المبنية من أنابيب الكربون النانوية - وذلك لمنع هذه المكونات من تدمير نفسها في عمليات التسخين الذاتي.
يبحث الباحثون عن طرق جديدة لتحسين قدرة إدارة الحرارة وتبديد الطاقة في هياكل صغيرة جدًا من الرقائق التي سيتم إنتاجها باستخدام تقنية جديدة تمامًا، وقد وجدوا طرقًا لقياس درجة الحرارة على مستوى الأنبوب النانوي الواحد، وهو ما لم يكن ممكنًا الى الآن. وبمساعدة هذه التقنية، كشف الباحثون عن كيفية تحويل الشحنة الكهربائية المتدفقة عبر المكون إلى حرارة - وما هي أنماط انبعاث وتشتت هذه الحرارة في بنية المكون
تستخدم أجهزة الكمبيوتر التي نعرفها اليوم، مثل أنظمة سطح المكتب أو أجهزة الكمبيوتر المحمولة، شرائح السيليكون التي يتم تصغيرها بشكل متزايد، من أجل السماح لها بالعمل بشكل أسرع وتقديم كفاءة أعلى في الاستهلاك الحالي. ولهذا الغرض، يتم حشر عدد متزايد من الترانزستورات في شريحة واحدة - وكلما كان الترانزستور أصغر، زاد أدائه. من أجل إنشاء ترانزستورات أصغر، يستكشف مطورو الرقائق إمكانية استخدام أنابيب الكربون النانوية. هذه الأنابيب النانوية هي في الواقع أسطوانات (أسطوانات) مبنية بحلقات مكونة من ست ذرات كربون لكل منها، ويبلغ قطرها 1-2 نانومتر: مائة ألف من سمك شعرة الإنسان الواحدة.
אלא שלפני שמיישמים את הרעיונות החדשים האלה ומשלבים ננו-צינוריות פחמן בשבבים הפועלים בעולם האמיתי, יש ללמוד ולהבין את אופן ההתנהגות של המבנים האטומיים האלה: אחת המגבלות החמורות של השימוש בפחמן נוגעת לפגיעיתו לחום, ברמות הטמפרטורה הפנימית אליהן עשוי שבב מחשב להגיע, ובהן הוא נדרש عمل. إن التركيز الكثيف للغاية لأنابيب الكربون النانوية قد يسبب مشاكل تبريد تتجاوز قدرة المراوح المعروفة اليوم، والتي تضغط الهواء بين الدوائر المختلفة. تؤدي الحرارة العالية جدًا إلى انخفاض الأداء، وقد تؤدي في النهاية إلى التدمير الذاتي للأنابيب النانوية.
يحاول العلماء في شركة IBM الآن فهم كيفية تدفق الإلكترونات عبر المواد والهياكل الجديدة. ومن الواضح بالفعل أن هذا نمط تدفق مختلف تمامًا عن النمط المعروف في السيليكون. تعتمد الأنابيب النانوية الكربونية على مواد مثل الجرافين (تركيب كيميائي مصنوع من الكربون، ويتميز بمجموعة خاصة من الروابط الناشئة بين الذرات الفردية) وتقدم آلية غير عادية للتسخين والتشويه الحراري، والتي قد يكون لها آثار أوسع على عالم التكنولوجيا. تكنولوجيا النانو بشكل عام.
تتولد الحرارة في أنابيب الكربون النانوية عن طريق الاهتزاز السريع للذرات التي يمر عبرها التيار. وكلما كان هذا الاهتزاز أسرع، زادت الحرارة التي تولدها هذه الذرات. تنبعث هذه الحرارة إلى الركيزة الأساسية للرقاقة: وهي المادة التي تثبت الأنابيب النانوية في مكانها وتدعمها. يربط العلماء في شركة IBM بين فهم عملية التسخين والتدمير الذاتي لأنابيب الكربون النانوية نتيجة لانبعاث الحرارة - وفهم عمليات التدمير الناتجة عن الحرارة الزائدة في رقائق السيليكون. المشكلة في أجهزة الكمبيوتر بشكل عام لا تكمن فقط في فهم كيفية تسخين مكون واحد، بل في تحليل تسخين الكمبيوتر بأكمله. إذا أخذنا، على سبيل المثال، جهاز كمبيوتر محمولاً ووضعناه على أفخاذنا أثناء العمل - فسنشعر في النهاية بالحرارة المنبعثة من الكمبيوتر وننتقل إلى الساق التي يقف عليها. كما هو الحال مع مشكلة تشتيت الحرارة المتولدة في أنبوب الكربون النانوي، يتعلق الأمر هنا أيضًا بنقل الحرارة من المكون إلى الركيزة والقاعدة العامة للكمبيوتر.
تعمل المواد الجديدة المصنوعة من الكربون بشكل مختلف عن السيليكون، حيث تقوم بتكوين المواد ونقلها من خلال عمليات مختلفة تمامًا. ويجب على الباحثين الآن أن يفهموا الأساس العلمي الذي يميز عمليات تسخين الأنابيب النانوية، بحيث يمكن بالفعل استخدامها في مكونات الحوسبة.
قام العلماء في شركة IBM باختبار وبحثوا عن طرق فعالة لنقل الحرارة من الأنبوب النانوي إلى الركيزة الداعمة، بمساعدة مادة أخرى تعتمد أيضًا على الكربون، والتي سيتم إدخالها بين الأنبوب النانوي والركيزة. إن نتائج هذا البحث الجديد تحمل معها ابتكارًا علميًا مهمًا في حد ذاته، وهو أمر ضروري لبناء نظام الإدارة الحرارية الذي سينظم الحرارة في المكونات المستقبلية، والتي ستعتمد على أنابيب الكربون النانوية.
يعد البحث الحالي خطوة أولى وأساسية في فهم عمليات التسخين والتبريد للأنابيب النانوية. وفي المستقبل، ستكون هناك حاجة إلى المزيد من الدراسات حتى يصبح من الممكن إنتاج مثل هذه الأنابيب النانوية على أساس تجاري، من أجل دمجها في رقائق الكمبيوتر.
ويتم نشر نتائج البحث هذا الأسبوع في المجلة العلمية Nature Nanotechnology.
