該技術(shù)為人工智能處理器、5G硬件和雷達(dá)等高功率電子設(shè)備的熱管理提供了一種高效的解決方案。

一項最初旨在為尊貴賓客制作裝飾性鉆石"貓頭鷹"的有趣實驗，現(xiàn)已演變?yōu)橐环N可規(guī)?；碾娮釉O(shè)備制造工藝。

萊斯大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種自下而上的方法，用于生長 patterned 的鉆石表面以冷卻電子設(shè)備。

該技術(shù)能夠?qū)@石直接集成到設(shè)備中，使工作溫度降低23°C（41°F）。

這有助于延長設(shè)備壽命、提升性能，并提高5G、雷達(dá)和人工智能數(shù)據(jù)中心等技術(shù)的能效。

萊斯大學(xué)材料科學(xué)與納米工程助理研究教授張翔表示："在電子領(lǐng)域，熱量是頭號公敵。"

張翔補充說："降低23°C意義重大——它可以延長設(shè)備壽命，并允許設(shè)備在不發(fā)生過熱的情況下運行得更快。"

突破熱屏障

當(dāng)前，人工智能處理器和5G硬件等高功率技術(shù)正受到嚴(yán)峻的熱管理挑戰(zhàn)的制約。

鉆石是熱管理領(lǐng)域無可爭議的冠軍材料，但它很難加工。它是地球上最堅硬的物質(zhì)之一，這使得"自上而下"的方法——即先生長出一塊鉆石板，然后再嘗試雕刻——變得緩慢、昂貴，并且會損壞材料。

因此，研究人員正轉(zhuǎn)向"自下而上"的方法，以精確的、功能性的形式生長鉆石，使其能夠集成到電子設(shè)備中。

這種"自下而上"的工藝使用了微波等離子體化學(xué)氣相沉積。

它利用了光刻技術(shù)，這與用于在微芯片上印制微小圖案的技術(shù)相同。

研究人員在芯片表面創(chuàng)建一個"模板"，然后將納米鉆石"種子"撒在模板上。

當(dāng)放入高能反應(yīng)器時，碳原子如雨點般落下，附著在種子上，并在需要的位置生長成一層堅固的導(dǎo)熱層。

張翔說："這需要一個利用微波能量的反應(yīng)器——就像廚房里的微波爐，但功率要大得多——將氣體轉(zhuǎn)化為等離子體。""這種等離子體分解與氫氣混合的重碳?xì)怏w，碳原子如雨點般落下，并沉積在你的襯底上。"

成核是生長鉆石至關(guān)重要的第一步，它充當(dāng)"種子"，為碳原子組裝成晶體層提供必要的立足點。

可擴(kuò)展的方案

這項技術(shù)的多功能性使其在工業(yè)應(yīng)用中極具前景。

研究團(tuán)隊通過策略性地在兩種播種技術(shù)之間進(jìn)行選擇，成功地將他們的工藝擴(kuò)展到2英寸晶圓：光刻技術(shù)用于高分辨率、復(fù)雜的設(shè)計，而激光切割薄膜則用于更大規(guī)模的應(yīng)用。

這種靈活性證明該方法已準(zhǔn)備好進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，為構(gòu)建未來節(jié)能、高性能的電子產(chǎn)品提供了一條切實可行的前進(jìn)道路。

此外，該方法與各種基礎(chǔ)層兼容，例如硅和氮化鎵。它為在不同半導(dǎo)體技術(shù)中集成高性能鉆石熱管理提供了可擴(kuò)展的基礎(chǔ)。

領(lǐng)導(dǎo)這項研究的普利克爾·阿賈揚說："主要的收獲是，我們找到了一種可擴(kuò)展、有效的方法，將鉆石散熱集成到電子設(shè)備中。"

材料科學(xué)與納米工程教授阿賈揚解釋說："這之所以重要，是因為熱量限制了手機的電池壽命和計算機的速度。通過使用鉆石更有效地冷卻這些設(shè)備，我們可以為更快、更可靠、更耐用的技術(shù)鋪平道路。"

下一個目標(biāo)是完善鉆石與底層電子設(shè)備之間的結(jié)合。成功創(chuàng)建這種無縫連接，將解鎖構(gòu)建速度更快、功能更強大的下一代晶體管的能力。

該研究發(fā)表在《應(yīng)用物理快報》上。

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