Representación esquemática de una estructura de dispositivo de termopares de grafeno.(Imagen: TU Delft)

Un equipo de investigadores de la Universidad de Oxford, la Universidad de Delft e IBM Zurich ha demostrado que el grafeno se puede utilizar para construir sensores de temperatura sensibles y autoalimentados. Los resultados (Materiales funcionales avanzados , “Termopares de grafeno de un solo material”) allanan el camino para el diseño de termopares altamente sensibles, que podrían integrarse en nanodispositivos e incluso en células vivas.

Los sensores de temperatura en chip que son escalables, confiables y que se pueden incorporar en nanodispositivos son esenciales para la gestión térmica futura en las CPU. Al determinar el calentamiento local en ciertos segmentos de una CPU a través de la distribución de monitores de temperatura a lo largo de puntos críticos, se puede proporcionar retroalimentación a un sistema de control. En respuesta, la gestión térmica podría permitir la redistribución de la carga térmica a través del enfriamiento puntual o la distribución de la carga, por ejemplo, entre diferentes núcleos informáticos, evitando los puntos calientes y permitiendo una vida útil más larga del dispositivo, además de ahorrar energía.

Tales sensores de temperatura deben tener una huella pequeña, alta precisión, consumir una cantidad mínima de energía y ser compatibles con las técnicas establecidas de nanofabricación.

Termometría en chip

Los termopares son un candidato ideal para la termometría de bajo costo, ya que son autoalimentados y relativamente fáciles de fabricar. Tienden a tener pequeñas variaciones en la sensibilidad porque su señal proviene de las propiedades intrínsecas del material.
Por lo general, los termopares son una combinación de dos materiales con diferentes coeficientes Seebeck unidos en el extremo de detección, lo que permite la medición de una acumulación de termovoltaje entre una detección y una referencia que es proporcional a una diferencia de temperatura.

Para lograr la termometría en chip con termopares convencionales, normalmente se requieren dos corridas de fabricación separadas. Sin embargo, los termopares que pueden integrarse fácilmente en la integración actual de la escala de obleas ya han despertado interés, con múltiples esfuerzos para fabricar termopares metálicos individuales informados anteriormente.

Sin embargo, estos termopares tienen una sensibilidad pequeña (del orden de 1 µV / K), tienden a tener una gran huella y tienen un grosor relativamente grande del orden de 100 nanómetros.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Oxford, la Universidad de Delft e IBM Zurich ha demostrado que el grafeno se puede utilizar para construir sensores de temperatura sensibles, de un solo material y autoalimentados. Modelaron el grafeno, una capa de átomos de carbono de un átomo de espesor, en forma de U, con una pata ancha y estrecha que se unía en el extremo de detección.

Al ajustar cuidadosamente la geometría de las patas de grafeno y explotar el efecto de la dispersión de electrones en los bordes del dispositivo de grafeno, el equipo logró una sensibilidad máxima de ΔS∼39 µV / K.

Los resultados podrían allanar el camino para el diseño de termopares altamente sensibles con la posibilidad de integración en estructuras de van der Waals y futuros circuitos de grafeno. Además, debido a la naturaleza bioinerte del grafeno y su estabilidad en una variedad de circunstancias, estos termopares también podrían usarse como sensores de temperatura en entornos hostiles o sensibles, como las células y otros sistemas vivos.