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碳纳米管存在独特“遥感焦耳热效应”

王朝探索·作者佚名  2012-04-13

美国马里兰大学研究人员发现了一种全新的只在纳米领域才有的“遥感焦耳热效应”:当碳纳米管通电时,其附近物体会发热,而纳米管本身却仍然是冷的。研究人员指出,理解这种现象有望带来一种全新的计算机处理器制造方法,其能以更快速度运行却不会过热。

焦耳效应已广为人知,给一根金属线通电时,其中的自由电子会在原子之间来回反射,使原子振动而发热。研究人员想看看给碳纳米管通电时的焦耳效应。他们利用该校材料科学与工程系副教授约翰·卡明斯实验室开发的电子热显微镜技术,绘制出纳米电设备产生热量的位置,观察碳纳米管的通电效果,看热量是怎样沿着碳纳米管传播到金属接头上去的。结果却发现,热量直接跳到碳纳米管下面的氮化硅底片上,将底片加热了。他们把这种现象称为“遥感焦耳热效应”。

“这是我们观察到的一种全新现象,只在纳米尺度才有,完全与我们的直觉相悖。”论文第一作者卡莫·巴洛奇说,“碳纳米管的电子不断地从某种东西上反射,这种东西不是它的原子,然后邻近的氮化硅底片上的原子就振动起来,获得了热量。”

这和用微波炉加热食物并不完全相同。研究人员解释说,他们只是给纳米管通电流,并没有故意产生微波场,这应该会让碳纳米管本身发热,而实际上却没有。碳纳米管的电子怎样从远处振动了底片材料的原子,其原因尚未明确。他们推测,还有一个“第三方”:电场。卡明斯解释说:“我们认为,碳纳米管的电子由于通电而产生了电场,底片原子是直接对这些电场起了反应,能量的传递是通过中介电场发生,并非由于碳纳米管电子对底片原子的反射。”

将来这种“遥感焦耳热效应”能应用于计算机技术。研究人员下一步将确定该效应是否为碳纳米管所独有,如果其他材料也有,那么它们的共性是什么。卡明斯解释说:“氮化硅能以这种方式从通电碳纳米管上吸收能量,我们还想测试其他材料,如半导体和其他绝缘体。真正理解了这种现象的原理,我们就能结合热量管理设计出新一代的纳米电子设备。” (记者常丽君)

目前制约计算机运行速度的因素之一,就是它会变得过热。如能找到清除余热的方法,运行速度也会更快。人们因此希望出现一种让情形完全改观的晶体管:本身不会把能量转变成热量,就像本研究中的碳纳米管那样。利用它全新的热传播机制,有望分别设计出热导体和电导体,选择它们各自的最佳性质,而不必让同一材料发挥两种功用。但目前,这是仅在纳米尺度的碳纳米管中独有的现象,科学家还必须确定其他材料中是否也有同类效应才行。

 
 
 
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