Un adeguato sistema di raffreddamento è un imperativo essenziale per i moderni microprocessori: lo sanno bene i ricercatori del Dipartimento dell'Energia USA presso il Lawrence Berkeley National Laboratory, che hanno sviluppato una nuova tecnica che consente di migliorare il raffreddamento dei chip utilizzando i nanotubi di carbonio.
Frank Ogletree, fisico che opera nel ramo delle Scienze dei materiali presso i Berkeley Lab, ha condotto uno studio che mostra come molecole organiche vengano usate per formare forti legami covalenti tra i nanotubi di carbonio e le superfici metalliche. Sperimentalmente è stato possibile migliorare di sei volte il flusso di calore dal metallo verso i nanotubi di carbonio, preparando quindi il terreno alla realizzazione di soluzioni in grado di raffreddare in maniera più efficiente i processori dei PC.
Tramite tecniche ben collaudate come la deposizione di vapore o l'uso di solventi chimici è possibile realizzare quanto dettagliato da Ogletree a basse temperature, che ben si adattano alla produzione dei chip. "Abbiamo sviluppato un percorso di legami covalenti che funzionano con i metalli che formano ossidi, come l'alluminio ed il silicio, e per i metalli più nobili come l'oro e il rame. In entrambi i casi l'adesione meccanica è migliorata così da rendere i legami di superficie sufficientemente robusti per estrarre una matrice di nanotubi di carbonio dal substrato di crescita, e migliorare considerevolmente il trasporto di calore nell'interfaccia".
Il surriscaldamento è la kriptonite dei processori: quando i transistor si scaldano le loro prestazioni si possono degradare fino al punto in cui non operano più come transistor. Con l'innalzamento delle frequenze operative e la maggior densità di transistor per chip, il surriscaldamento diventa un problema ancor più ingente. La prima sfida da affrontare è quella di trasportare il calore al di fuori del chip e verso quelle strutture atte a smaltirlo, come dissipatori e ventole. I nanotubi di carbonio hanno già avuto modo di mostrare una conducibilità termica eccezionalmente elevata, ma il loro impiego per il raffreddamento dei microprocessori e di altri dispositivi è stato più volte ostacolato da un'elevata resistenza termica all'interfaccia tra i nanotubi ed il metallo.
"La conducibilità termica dei nanotubi di carbonio supera quella del diamante o di qualsiasi altro materiale naturale, ma dato che i nanotubi sono chimicamente molto stabili, le loro interazioni chimiche con la maggior parte degli altri materiali sono relativamente deboli, il che si traduce in elevate resistenze termiche all'interfaccia. Intel si è rivolta a noi per migliorare la prestazione dei nanotubi di carbonio in questo frangente. Lavorando con due ingegneri Intel siamo stati capaci di migliorare e irrobustire il contatto tra i nanotubi di carbonio e la superficie di altri materiali. Questo riduce la resistenza termica e migliora l'efficienza del trasporto di calore" ha spiegato Ogletree.
I ricercatori hanno impiegato molecole reattive per collegare i nanotubi di carbonio al metallo, l'amminopropil-trialcossi-silano per i metalli che formano ossidi e la cisteamina per i metalli nobili. Un array di nanotubi di carbonio allineati verticalmente è stato fatto crescere su un wafer di silicio e quindi un sottile strato di alluminio o di oro è stato fatto evaporare su vetrini da microscopio. Lo strato di metallo è stato "funzionalizzato" affinché potesse legarsi con la matrice di nanotubi di carbonio. Le misurazioni effettuate hanno permesso di confermare il miglioramento del flusso di calore.
"Si può considerare la resistenza dell'interfaccia come una maggior distanza che il calore deve percorrere per fluire nel materiale. Con i naotubi di carbonio la resistenza termica all'interfaccia aggiunge qualcosa come 40 micron in più su ciascun fronte dello strato di nanotubi di carbonio. Con la nostra tecnica siamo in grado di ridurre la resistenza all'interfaccia in maniera tale che la distanza aggiuntiva sia di circa sette micron su ciascun fronte" precisa Ogletree.
L'approccio usato dai ricercatori va sostanzialmente ad irrobustire il contatto tra il metallo e i singoli nanotubi di carbonio nella matrice, ma ciononostante una parte dei nanotubi continua a non riuscire a connettersi adeguatamente con il metallo. Il gruppo coordinato da Ogletree sta sviluppando un modo per migliorare la densità dei contatti tra i nanotubi e il metallo. La loro tecnica dovrebbe inoltre essere applicabile a dispositivi in grafene a strato singolo e a più strati, che mostrano i medesimi problemi di raffreddamento.
"Parte della nostra missione presso la Molecular Foundry è quella di aiutare lo sviluppo di soluzioni per problemi tecnologici che ci vengono posti dagli operatori del settore e che sollevano domande fondamentali per la scienza. Nello sviluppo di queste tecniche per la soluzione di problemi tecnologici reali, abbiamo creato strumenti che permettono di aggiungere nuove nozioni alla chimica fondamentale" ha concluso Ogletree.
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