解決芯片發熱問題的新方法

但現在，科學家們已經開發出一種人造材料，它是有史以來最好的一種材料，可以在一個方向上傳導熱量，同時在其他方向上保持熱量與周圍環境隔絕。這項研究有朝一日可能會幫助微芯片在不因過熱而中斷的情況下變得更強大。

隨著電子產品的不斷小型化，在給定的空間中會產生更多的熱量，這使得熱控制成為電子設計中的一個關鍵挑戰。“如果你的電腦或筆記本電腦過熱，這可能是一個安全問題，”該研究的主要作者，芝加哥大學的分子工程師Shi En Kim說。
熱管理的最新進展包括所謂的各向異性熱導體。在這些材料中，熱量在一個方向上比其他方向流動得更快。
許多天然晶體結構是強各向異性的熱導體——例如，對于石墨，熱量沿其快軸傳導的速度比慢軸快約 340 倍。然而，這些天然材料通常難以用于大規模制造技術，并且可能缺乏設備所需的各種電學或光學特性。相比之下，大多數人工結構材料都是不良的各向異性熱導體，在室溫下通常具有小于 20 的快慢熱流比。
現在，科學家們創造了一種人造材料，其在室溫下的快慢熱流比高達約 880，這是有史以來最高的熱流比之一。他們在 9 月 30 日的《自然》雜志上詳細介紹了他們的發現。
該技術的秘訣在于使用由原子級薄層堆疊膜組成的材料——二硫化鉬。在這種情況下，這些層通過稱為范德華相互作用的弱電力保持在一起，這種力通常會使膠帶發粘。其他分層范德華材料包括石墨和所謂的過渡金屬二硫屬化物。
二硫化鉬在兩個維度上有效地堆疊漏斗熱量，但不是第三個維度。絕緣效應背后的關鍵是相鄰薄膜的晶格如何相對于彼此旋轉。（想象一堆棋盤，每塊棋盤都旋轉，這樣它的方格就不會與相鄰的方格對齊。）
在這些堆棧中，熱的主要載體是聲子（phonons），即由晶體晶格結構中的振動組成的準粒子。當相鄰的硫化鉬薄膜堆疊起來使其晶格對齊時，聲子很容易向各個方向流動，盡管在層內效率更高。然而，當這些晶格相對于彼此旋轉時，聲子只能在層內有效地流動。
當科學家使用這些疊層涂覆僅 15 納米高和 100 納米寬的金電極時，他們發現電極可以承載更多電流而不會過熱并阻止熱量到達設備表面。“我們相信我們的材料可用于電子產品的熱管理，”Kim 說。
Kim 指出，他們之所以選擇用二硫化鉬進行試驗，是因為他們之前開發了生長這種材料的大薄膜的方法。原則上，由其他原子級薄材料（例如石墨烯）制成的堆棧可以表現得同樣或更好。她指出，未來的研究還可以調查由兩種或多種不同材料堆疊而成的所謂異質結構的性能。
Kim 警告說，對于他們的實驗，“我們的薄膜是手工堆疊的，這不是一種非常可擴展的制造非常厚薄膜的方法。最終這些材料可能會有實際應用，但需要解決一些問題以使其生產可擴展。”