مقدمه
اگر لپ تاپ یا گوشی شما پس از ساعت ها بازی کردن یا کار کردن یا باز بودن چند برنامه در یک زمان، گرم می شود، نگران نباشید؛ چون اونها دارن کارشون رو انجام میدن!!! در این مقاله می خوانیم بلور های انتقال دهنده ی حرارت می توانند در خنک کردن کامپیوتر ها کمک کنند.
خارج کردن حرارت از درون یک دستگاه به محیط بیرون بسیار حیاتی است؛ به طوری که تراشه ی کامپیوتر هایی که بیش از حد گرم شده باشند، می توانند موجب کندی عملکرد برنامه ها بشوند، باعث خاموش شدن ناگهانی دستگاه بشوند یا حتی مشکلات دائمی دیگری را برای دستگاه به وجود بیاورند.
از آنجایی که مصرف کنندگان خواهان دستگاه های الکترونیکی کوچکتر، سریع تر و قدرتمند تر هستند که جریان بیشتری را مصرف میکنند و گرمای بیشتری را به وجود می آورند، موضوع مدیریت گرمای تولیدی با روش های امروزی به تنگنا آمد. با تکنولوژی امروز، حدی برای گرمای خارج شده از درون دستگاه وجود دارد.
راه کار جدید محققان
محققان در دانشگاه تگزاس در دالاس و همکارانشان در دانشگاه ایلینویز و دانشگاه هوستون، به یک راه حل بالقوه برای این مشکل رسیده اند که آنرا در مجله ی علم ( Science) منتشر می کنند.
بینگ، دستیار پروفسور در دانشکده ی علوم طبیعی و ریاضیات در دانشگاه تگزاس و همکارانش، موفق به ساخت بلوری از مواد نیمه هادی به نام آرسنید بور شدند که قدرت انتقال حرارتی بالایی دارد.
بیگ گفت: “مدیریت گرما برای صنایعی که به کامپوتر ها و تراشه ها متکی هستند بسیار مهم است؛ برای دستگاه های الکترونیکی با قدرت بالا، نمی توانیم از فلز ها برای خارج کردن حرارت استفاده کنیم؛ نمی توانیم فن های خنک کننده را به کار بگیریم چون فضای زیادی اشغال می کنند. آن چیزی که ما احتیاج داریم، یک ماده ی نیمه هادی ارزان قیمت است که بتواند حرارت را پراکنده کند.”
بسیاری از تراشه های کامپیوتر های امروزی از عنصر سیلیکون – بلوری نیمه هادی که گرما را خارج می کند – ساخته شده اند. الماس بالا ترین قدرت انتقال حرارتی شناخته شده را دارد؛ چیزی در حدود 2200 وات بر متر – کلوین؛ در حالی که قدرت سیلیکون تنها 150 وات بر متر – کلوین است. گرچه الماس برای فعالیت های گرمازدایی استفاده می شود ولی قیمت الماس طبیعی، این نوع الماس را برای کاربرد فراگیر در الکترونیک غیر عملی کرده است. استفاده از الماس مصنوعی هم به دلیل عیوب ساختاری، منتفی است.
پیشینه پژوهش
در سال 2013، محققان دانشگاه بوستون در آزمایشگاه تحقیقاتی نیروی دریایی آمریکا، نتایج پژوهشی را منتشر کردند که پیش بینی می کرد آرسنید بور به خوبی الماس می تواند در خارج کردن حرارت عمل کند.
در سال 2015، بینگ و همکارانش در دانشگاه هوستون توانستند بلور آرسنید بور با ویژگی حرارت زدایی را بسازند ولی قدرت انتقال حرارتی کمی در حدود 200 وات بر متر – کلوین داشت. از سال 2015 تا کنون، بینگ و همکارانش در دانشگاه تگزاس دالاس بر روی بهینه سازی فرآیند رشد و تقویت بلور پژوهش می کردند.
بینگ تصریح کرد: “ما بر روی این پروژه 3 سال پژوهش کردیم و در حال حاضر به بلورهایی با قدرت انتقال حرارتی بالایی در حدود 1000 وات بر متر- کلوین رسیدیم که پس از الماس، بیشترین است.”
چگونگی تشکیل آرسنید برم
بینگ با همکاری دکتر شانگ لی و دانشجوی دکترا فیزیک، لیو، با روشی به نام انتقال بخار شیمیایی موفق به ساخت بلوری با قدرت انتقال حرارتی بالایی شدند. مواد خام (آرسنیک و برم) در محفظه ای که یک طرف آن گرم و طرف دیگر سرد است قرار داده می شوند. در مرحله ی بعدی برم و آرسنیک از قسمت گرم محفظه به قسمت سرد آن منتقل می شوند؛ جایی که مواد خام با هم ترکیب می شوند تا بلور را بسازند.
بینگ افزود: “برای رسیدن به قدرت 1000 وات بر متر – کلوین از 200 وات بر متر – کلوین، خیلی از پارامتر ها را باید تنظیم می کردیم؛ از جمله مواد خامی که با آنها شروع کردیم، فشار و دمای محفظه و حتی لوله ای که استفاده کردیم.”
بلور کوچک آرسنید برم زیر میکروسکوپ الکترونی، دانشگاه تگزاس در دالاس
گروه تحقیقاتی دانشگاه ایلینویز
گروه تحقیقاتی کاهیل و هونگ در دانشگاه ایلینویز نقشی کلیدی در به ثمر رسیدن کار حاضر ایفا کردند. آنها عیوب بلور آرسنید برم را با استفاده از میکروسکوپ الکترونی مطالعه کردند و همچنین اندازه گیری های انتقال حرارتی را بر روی بلور های کوچک تولید شده در دانشگاه دالاس انجام دادند.
کاهیل، پروفسور و رئیس دانشکده ی علوم مهندسی مواد دانشگاه ایلینویز گفت: ما قدرت انتقال حرارتی را با استفاده از روشی که در 10 سال گذشته در دانشگاه ایلینویز توسعه یافته بود، اندازه گرفتیم؛ روشی به نام دامنه زمانی بازتاب حرارتی (time-domain thermoreflectance or TDTR)
TDTR امکان اندازه گیری قدرت انتقال حرارتی را در گستره ای از حالات برای ما فراهم می کند. اجرای این روش برای آرسنید برم ضروری بود.
روشی که آرسنید برم و سایر بلور ها گرما را خارج می کنند، در ارتباط با ارتعاشات در آن ماده است. زمانی که بلور مرتعش می شود، ارتعاشات، بسته هایی از انرژی به نام فونون ها (Phonons) را می سازد که می توانند به عنوان چیزی تصور شوند که گرما را حمل می کنند.
سخنان تکمیلی پروفسور بینگ
بینگ اذعان داشت: “خصوصیات مشابه بلورهای آرسنید برم شامل تفاوت در جرم بین اتم های برم و آرسنیک، به حرکت بهینه تر فونون ها کمک می کند. من فکر میکنم آرسنید برم پتانسیل زیادی برای آینده ی الکترونیک دارد! آنچیزی که این بلور ها را نسبت به سیلیکون برای استفاده در دستگاه ها ایده آل تر میکند، بیشتر بودن خاصیت نیمه هادی بلور آرسنید برم است.”
همچنین افزود: “در حالی که آرسنیک به خودی خود برای انسان سمی است ولی در در ترکیب هایی همچون ترکیب آرسنید برم، به دلیل پیوند با ماده دیگری مثل برم، به حالت پایدار در می آید و غیر سمی می شود. قدم بعدی در این کار، تلاش برای بهبود فرآیند های رشد و خواص این ماده برای کاربرد در مقیاس بزرگ است.”
