カーボンナノチューブ、マイクロプロセッサの冷却を支援

Tiffany Trader

半導体産業は、次世代のマイクロプロセッサの開発で幾つかの障害に直面している。ますます多くのトランジスタがチップ上に詰め込まれるように、過熱がパフォーマンスの向上を妨げる恐れがある。これに対抗することは、チップと回路基板上の外に熱を逃がすことから始まり、ファンまたは他の技術を使用して拡散させることができる二段階プロセスである。

最近、研究者はマイクロプロセッサチップから熱を伝導させて逃がすためにカーボンナノチューブを使用することの実現可能性を評価し始めた。そのアプローチは、今後数十年以内にでてくる高速マイクロプロセッサの高密度に詰め込まれた性能レベルを維持するための鍵となることが出来るかも知れない。それはまた、シリコンのような同じ冷却問題に直面している単層または多層のグラフェンデバイスと適合すると期待されている。

Intel社との提携を通じて、Lawrence Berkeley国立研究所(Berkeley研)の科学者は、接合剤として機能する有機分子と組み合わせたカーボンナノチューブを用いた「プロセスが扱い易い」技術を開発した。研究では、Berkeley研の材料科学部門の物理学者、Frank Ogletree指導の下、5つのDOEナノスケール科学研究センターのひとつであるBerkeley研の分子ファウンドリーで行われた。

カーボンナノチューブは、非常に高い熱伝導率を有することが知られており、マイクロプロセッサ冷却アプリケーションのために望ましいが、それらはまた、現在までの冷却剤としてのそれらの使用を妨げてきた高い熱界面抵抗を示す。Intelのエンジニア、Nachiket RaravikarとRavi Prasherとの仕事で、Berkeleyチームは、カーボンナノチューブと他の材料の表面との間の接触を向上させることができ、それによって強化熱抵抗を低減し、大幅に熱輸送効率の向上させた。

研究にとって極めて重大なことは、カーボンナノチューブと金属表面との間に強い電子イオン共有結合が形成された有機分子を使うことであった。改善された結合性で、、金属からカーボンナノチューブへの熱の流れは6倍に増加し、より速く、より効率的な次世代コンピュータチップのための基礎を築いた。そして、その技法は、低温での蒸気または液体の化学的性質に関連しているため、それはコンピュータチップ製造に適している。

「私たちは、アルミニウムやシリコンなどの酸化形成金属、および金や銅などの貴金属のために働く電子イオン共有結合の道筋を開発しました。」と分子ファウンドリーのイメージング施設のスタッフエンジニアでもあるOgletreeは言った。「その表面結合が、成長基板からカーボンナノチューブアレイを引き剥がし、界面を横切って熱の輸送を著しく改善するために十分強かったので、両方の場合において、機械的接着性を向上させました。 」

初期の結果は有望であるが、ナノチューブの大多数は、まだ金属との接続に失敗する場合があるので、Berkeleyチームによる次のステップは、接点材料の密度を向上させることである。

本研究の詳細を説明した論文は、「共有結合性機能化カーボンナノチューブアレイの界面での熱輸送の強化」のタイトルでNature Communications誌で見ることが出来る。