Önmagukat hűtő nanotranzisztorok

Napjaink számítógépeinél komoly probléma a hűtés – a szélsőséges mértékben miniatürizált áramköri lapkákat alkotó tranzisztorok ugyan önmagukban minimális hőt disszipálnak, de sok százmilliónyi egy-két négyzetcentiméternyi helyre integrálva már könnyen meleg helyzetet okoz. Hosszú évek óta tart a kutatás, hogyan lehet csökkenteni ezt a terhelést, mely energiahatékonyság és költség szempontból is hátrányt jelent. A kutatók ezért újfajta alapanyagokkal kísérleteznek, a jól bevált szilícium helyett. Az Illinois-i Egyetemen például grafénnel (egy mindössze egyetlen atom vastagságú szénlappal) végeznek kísérleteket.

A grafén előnye, hogy jóval gyorsabb elektronikai működést tehet lehetővé, mint a szilícium, illetve alacsonyabb energiaigénnyel bírnak a rajta kialakított aktív elemek. Utóbbi mikéntje mindezidáig rejtve maradt a tudósok előtt, az anyagi parányi méreteiből következően nehézkesen megvizsgálható mivolta miatt. Az amerikai egyetem csapata azonban olyan mikroszkópot alkalmazott kutatásai során, melyek képesek nanométeres méretekben is mérni a hőmérsékletváltozásokat – akár egy működő grafén tranzisztornál is.

^{10 nanométeres felbontásban akár 250 mK-es változást is érzékel a nanomikroszkóp}

Ez az újfajta vizsgálati módszer rámutatott a szénalapú kapu speciális hőtani viselkedésére. A fémes kapcsolattal való érintkezésnél ugyanis meglepő hőmérsékleti jelenséget tapasztaltak a kutatók: olyan thermoelektrikus hűtési hatást fedeztek fel, amely erősebbnek bizonyul a „hagyományos”, rezisztív hőtermelésnél. Vagyis ahelyett, hogy a grafén tranzisztorok a megszokott módon disszipálnák el a keletkező hőt, azt a fenti módon vezetik le, csökkentve a tranzisztor hőmérsékletét.

„A legtöbb anyagnál az elektromos melegedés hatása jóval erősebb, mint az önhűtő képesség.” – ismertette röviden William King, az egyetem professzora a hétköznapi helyzetet – „Ezeknél a grafén tranzisztoroknál azonban úgy találtuk, hogy egyes területeken a thermoelektrikus hűtés hatása nagyobb lehet, ami lehetővé teszi ezen eszközök számára önmaguk lehűtését. Korábban nem láttunk ilyen önhűtő jelenséget grafének esetében.”

Mit jelent mindez a gyakorlatban? Nos, a grafénalapú, önhűtő képességgel bíró elektronika jóval kevesebb vagy semmilyen egyéb hűtést nem igényelne, nagyobb energiahatékonyságot eredményezhet, így még figyelemreméltóbbá válik az anyag, mint a szilícium lecserélésének egyik lehetséges eszköze. Sajnos azonban arra nem számíthatunk, hogy mindez a közeljövőben meg is jelenik hétköznapjainkban: a grafénalapú elektronikai berendezésekkel kapcsolatos kutatások még gyerekcipőben járnak. A tudósok következő lépésként szén nanocsövek és egyéb nanométerű anyagok hőmérsékletének vizsgálatát jelölték ki.