חוקרים ביבמ בוחנים כיצד מתפזר חום בצינורית-מוליך עשויה אטומי פחמן

הצליחו לפתח לראשונה טכניקה למדידת פיזור האנרגיה והחום בטרנזיטורים הבנויים מננו-צינוריות (nanotube) פחמן – על מנת למנוע מרכיבים כאלה להשמיד את עצמם בתהליכי התחממות עצמית, זאת במסגרת החיפושים אחר טכנולוגיה שתחליף את הסיליקון
.

מדענים ביבמ חושפים פריצת דרך מחקרית בתחום הננו-אלקטרוניקה. החוקרים במעבדה של יבמ ביורקטאון, ניו-יורק, הצליחו לפתח לראשונה טכניקה למדידת פיזור האנרגיה והחום בטרנזיטורים הבנויים מננו-צינוריות (nanotube) פחמן – על מנת למנוע מרכיבים כאלה להשמיד את עצמם בתהליכי התחממות עצמית.

החוקרים בוחנים דרכים חדשות לשיפור כושר ניהול החום ופיזור האנרגיה במבנים זעירים במיוחד של שבבים שייוצרו בטכנולוגיה חדשה לחלוטין, מצאו דרכים למדידת הטמפרטורה ברמת הננו-צינורית הבודדת, שלא הייתה אפשרית עד עתה. בעזרת הטכנולוגיה הזאת, חשפו החוקרים את האופן שבו מומר מטען חשמל הזורם ברכיב לחום – ומה דפוסי הפליטה והפיזור של החום הזה במבנה הרכיבץ

המחשבים המוכרים לנו כיום, דוגמת המערכות השולחניות או מחשבי מחברת, משתמשים בשבבי סיליקון הממוזערים יותר ויותר, על מנת לאפשר להם לפעול מהר יותר ולהציע יעילות גבוהה יותר בצריכת הזרם. לצורך זה, נדחס מספר גדל והולך של טרנזיסטורים אל תוך שבב בודד – וככל שהטרנזיסטור קטן יותר יהיו ביצועיו גבוהים יותר. על מנת ליצור טרנזיסטורים קטנים יותר, בוחנים מפתחי שבבים את האפשרות להשתמש בננו-צינוריות של פחמן. ננו-צינוריות כאלה הן למעשה גלילים (צילינדרים) הבנויים טבעות-טבעות בנות שישה אטומי פחמן כל אחת, בקוטר של 1-2 ננו-מטר: אחד חלקי מאה אלף מעובייה של שערה אנושית בודדת.

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 לפעול. ריכוז צפוף מדי של ננו-צינוריות פחמן, עלול להציב בעיות קירור שהן מעבר ליכולתן של מניפות המוכרות כיום, הדוחסות אוויר בין המעגלים השונים. חום גבוה מדי מוריד את הביצועים, ועלול להוביל בסופו של דבר להשמדה-עצמית של הננו-צינוריות.

המדענים ביבמ מנסים עתה להבין כיצד זורמים האלקטרונים דרך החומר והמבנים החדשים. ברור כבר, כי מדובר במתכונת זרימה שונה לחלוטין מזו המוכרת בסיליקון. ננו-צינוריות פחמן מבוססות על חומרים דוגמת גראפן (מבנה כימי עשוי פחמן, המאופיין במערך קשרים מיוחד הנוצא בין האטומים הבודדים) ומציגות מכניזם בלתי רגיל של התחממות והתעוותות בחום, שלו עלולות להיות השלכות רחבות יותר על עולם הננו-טכנולוגיה בכלל.

החום בננו-צינוריות פחמן נוצר על ידי הרעידה המהירה של האטומים דרכם עובר הזרם. ככל שהרעידה הזאת מהירה יותר – כן יוצרים האטומים האלה חום רב יותר. החום הזה נפלט אל מצע השבב: החומר המחזיק את הננטו-צינוריות במקומן ותומך בהן. המדענים ביבמ קושרים בין הבנת תהליך ההתחממות וההרס העצמי של ננו-צינוריות פחמן כתוצאה מפליטת החום – ובין הבנה של תהליכי הרס הנוצרים עקב חום גבוה מדי בשבבי סיליקון. הבעייה במחשבים בכלל, היא להבין לא רק כיצד מתחמם רכיב בודד – אלא לנתח את ההתחממות של המחשב כולו. אם ניקח, למשל, מחשב מחברת ונניח אותו על הירכיים תוך כדי עבודה – נרגיש בסופו של דבר בחום הנפלט מהמחשב ועובר אל הרגל עליו הוא ניצב. כמו בבעיית פיזור החום הנוצר בננו-צינורית הפחמן – גם כאן, מדובר בהעברת חום מהרכיב אל המצע והמסד הכללי של המחשב.

החומרים החדשים העשויים פחמן פועלים באופן שונה מסיליקון, יוצרים חומר ומעבירים אותו בתהליכים שונים לחלוטין. החוקרים חייבים עתה להבין את הבסיס המדעי המאפיין את תהליכי ההתחממות של ננו-צינוריות, על מנת שאפשר יהיה אכן לעשות בהן שימוש ברכיבי מחשוב.

המדענים ביבמ בחנו וחיפשו דרכים יעילות להעברת החום מהננו-צינורית אל המצע התומך, בעזרת חומר אחר המבוסס גם הוא על פחמן, אשר ישובץ בין הננו-צינורית ובין המצע. ממצאי המחקר החדש הזה מביאים עימם חידוש מדעי חשוב בפני עצמו, החיוני לבניית מערכת ניהול תרמי שתווסת את החום ברכיבים עתידיים, שיתבססו על ננו-שפורפרות פחמן.

המחקר הנוכחי הוא שלב ראשון ובסיסי בהבנת תהליכי ההתחממות והקירור של ננו-צינוריות. בעתיד, יידרשו מחקרים רבים נוספים עד שאפשר יהיה לייצר ננו-צינוריות כאלה על בסיס מסחרי, על מנת לשלבן בשבבי מחשב.

תוצאות המחקר מתפרסמות השבוע בכתב העת המדעי Nature Nanotechnology.