近日，罗格斯大学(Rutgers)的研究人员发现了一种利用石墨烯对微型芯片进行有效降温的新方法。在经历过各种手机的“发热门”之后，这一技术的重要性不言而喻——微型芯片由数十亿个晶体管组成，是电子设备的关键组件，而过高的温度对其性能有重大影响。

石墨烯材料

   “在芯片上配置二维超薄的石墨烯材料，其可以冷却芯片上产生热量问题的热点，”物理学与天文学系的物理学教授Eva Y. Andrei表示：“该解决方案无需任何零件，并且效果良好。”

   罗格斯研究团队发表在最新一期Proceedings of the National Academy of Sciences期刊上的研究报告显示，电子元件体积减小以及功率不断增大导致的过热问题增加了对芯片冷却解决方案的需求。研究人员使用与氮化硼晶体基板结合的石墨烯，揭示了一种更加强大且有效的冷却机理。

   艺术与科学学院的Andrei表示：“我们方案的功率因数比以往的热电冷却器高出了约两倍。”根据其研究报告描述，功率因数代表了主动冷却的有效性。主动冷却是指通过电流带走热量的冷却方式，而被动冷却则是通过热量自然扩散实现冷却。

   石墨烯在这个过程中发挥了重要的作用。石墨烯是一种从石墨材料中剥离出的单碳原子片状材料，是铅笔中薄薄的一层，由一系列按蜂窝状晶格排列的碳原子组成。这种特殊的结构使得石墨烯具有比铜更优良的导电性，超过钢100倍的强度，并且能够快速扩散热量。“石墨烯放置在氮化硼制成的装置上，表面像溜冰场一样光滑平坦，”Andrei表示：“传统芯片以二氧化硅作为基体，阻碍了晶体管性能的提高，因为它会散射出携带热量的电子。”

   她继续说道，在小巧的电脑或智能手机芯片中，数十亿个晶体管会产生大量的热量，这是一个严重的问题。高温降低了晶体管的性能——其控制着电源并负责放大信号，因此需要冷却。

   热电冷却可以用浴缸里的水来解释。如果浴缸中有热水，现在打开冷水则需要很长时间才能将冷水扩散到整个浴缸中，这就是被动冷却，通过分子在浴缸中缓慢扩散而稀释。但如果用手将冷水从冷的一侧推向热水中，则冷却过程就会快很多，这称为对流或主动冷却。电脑和智能手机的芯片冷却也是同样的道理。如果将一根导线(例如铜线)连接到发热的芯片上，热量就会被带走，就像浴缸中热水向冷水扩散冷却一样。

   现在想象一块金属有冷热两端，金属的原子和电子在热端快速运动而在冷端缓慢运动。Andrei及其研究团队通过向金属施加电压，将电流从热端发送到冷端，类似浴缸例子中的主动冷却，这样通过电流推动电子带走热量就实现了更加高效的散热。石墨烯在被动冷却和主动冷却两方面的性能都十分出色，二者的结合使得石墨烯成为优秀的冷却器。

   “电子行业正在朝这种冷却方式发展，”Andrei表示：“这项研究推动了不同类型冷却器的结合。我们正面临石墨烯冷却器发展的最好机会，因为其他材料价格既昂贵，也不像石墨烯这么薄并具有这么高的功率因数。”