Transistor auto-raffreddanti? Con il grafene è possibile

Un gruppo di ricercatori dell'Università dell'Illinois ha scoperto un particolare effetto termoelettrico proprio dei transistor in grafene che consente loro di auto-raffreddarsi durante la normale attività. Le scoperte del gruppo di ricerca sono state pubblicate il 3 aprile nell'edizione online della rivista Nature Nanotechnology.

Attualmente una delle più ingombranti limitazioni alla velocità operativa e alla dimensione dei chip per computer è rappresentato dal calore che essi dissipano. Tutti i dispositivi elettronici dissipano energia sottoforma di calore, un fenomeno conosciuto con il nome di effetto Joule. Sussistono tuttavia una serie di altri fenomeni termoelettrici minori, che possono localmente dare luogo ad abbassamenti di temperatura: il calore dissipato per l'effetto Joule è di norma tale da risultare superiore a qualsiasi effetto termoelettrico di raffreddamento.

I chip per computer, allo scopo di poter operare in maniera corretta, devono essere raffreddati mediante sistemi ad aria o a fluidi, con un conseguente consumo di energia che in alcuni frangenti (si pensi ai sistemi notebook) vanno a consumare una parte consistente dell'energia necessaria all'alimentazione del dispositivo.

Del grafene abbiamo avuto modo di parlare parecchie volte sulle pagine di Business Magazine e di Hardware Upgrade: questo particolare "foglio" di atomi di carbonio, disposti in un reticolo cristallino esagonale, è caratterizzato da interessanti proprietà fisiche e da una elevata mobilità elettronica, che lo rende particolarmente attraente come "erede" del silicio per le future applicazioni pratiche nella realizzazione di transistor e chip.

La scoperta dei ricercatori dell'Università dell'Illinois potrebbe aggiungere ulteriori elementi di interesse a favore del grafene. Del resto un'attenta indagine sul comportamento termoelettrico del materiale non è mai stata condotta in precedenza, per via delle ridottissime dimensioni in gioco. Impiegando una particolare sonda microsocopica per le misurazioni di temperatura, i ricercatori hanno infatti scoperto che nel punto in cui il grafene si trova a contatto con le connessioni metalliche l'effetto di raffreddamento termoelettrico è maggiore rispetto all'effetto Joule portando realmente ad un abbassamento di temperatura del transistor.

Il coordinatore del progetto di ricerca William King, professore di ingegneria e scienza meccanica, ha commentato: "Nel silicio e in molti altri materiali il calore elettronico è molto più elevato dell'autroraffreddamento. Abbiamo tuttavia scoperto che in questi transistor di grafene vi sono regioni dove il raffreddamento termoelettrico può essere superiore all'effetto Joule, permettendo a questi dispositivi di raffreddarsi da soli. Questo comportamento non è mai stato osservato in precedenza per i transistor in grafene".

"L'elettronica basata sul grafene è ancora nei primi stadi della sua vita. Le misurazioni che abbiamo condotto e le simulazioni ci hanno restiuito proiezioni secondo le quali l'effetto termoelettrico di raffreddamento migliorerà con l'affinamento della tecnologia per la realizzazione dei transistor in grafene" ha aggiunto Eric Pop, professore di ingegneria elettrica e informatica, che ha coordinato il progetto assieme a King.

L'evoluzione di questa scoperta potrebbe portare in un futuro non troppo lontano alla realizzazione di processori ad elevate prestazioni che non necessitano sistemi di raffreddamento. Tra le prossime attività del gruppo di ricerca vi è l'indagine del comportamento termico dei nanotubi di carbonio e di altri nanomateriali con l'impiego di sonde AFM (atomic force microscope). La ricerca ha avuto il supporto dell'Air Force Office of Scientific Researc e dell'Office of Naval Research.