Forschung -

Elektronische Geräte mit Überhitzungsschutz

Sie haben die Hitze schon des Öfteren gespürt - vom Smartphone, das sich zum Beispiel bei Navigationsanwendungen erwärmt, oder vom Laptop auf ihrem Schoß.

Die von elektronischen Geräten erzeugte Wärme stört jedoch nicht nur die Anwender. Wärmeinduzierte Hohlräume und Risse können zum Ausfall von Chips und Schaltungen führen.

Nunmehr hat ein Stanford-Ingenieursteam eine Möglichkeit entwickelt, die Wärme nicht nur zu managen, sondern sie auch von empfindlichen Geräten wegzuführen.

In "Nature Communications" beschreiben die Forscher einen thermischen Transistor - einen Nanoschalter, der Wärme von elektronischen Komponenten wegleiten und sie gegen die schädlichen Auswirkungen der Wärme schützen kann.

"Die Entwicklung eines praktischen Wärmetransistors könnte ein entscheidender Faktor bei der Entwicklung zukünftiger Elektronik sein", sagte Senior-Autor und Professor Kenneth Goodson.

Seit Jahren versuchen Forscher, Wärmeschalter zu entwickeln. Bisherige thermische Transistoren erwiesen sich als zu groß, zu langsam und für den praktischen Einsatz nicht empfindlich genug.

Die Herausforderung bestand darin, eine Nanotechnologie zu finden, die wiederholt ein- und ausschalten kann, einen großen Heiss-zu-kalt-Schaltkontrast und keine beweglichen Teile aufweist.

Mit Unterstützung des Elektroingenieurs Eric Pop und des Materialwissenschaftlers Yi Cui konnte Goodsons Team diese Hindernisse überwinden, indem es mit einer dünnen Schicht Molybdändisulfid begann, einem halbleitenden Kristall, der aus geschichteten Atomlagen besteht.

Nur 10 nm dick und bei Raumtemperatur wirksam, könnte dieses Material in die heutige Elektronik integriert werden, ein entscheidender Faktor für eine praktische Technologieanwendung.

Um diesen Wärme leitenden Halbleiter zu einem transistorähnlichen Schalter zu machen, tauchten die Forscher das Material in eine Flüssigkeit mit vielen Lithiumionen. Wenn ein kleiner elektrischer Strom an das System angelegt wird, beginnen die Lithiumatome in die Schichten des Kristalls einzudringen und verändern somit seine Wärme leitenden Eigenschaften.

Mit zunehmender Lithiumkonzentration schaltet sich der Wärmetransistor jedoch aus. In Zusammenarbeit mit Davide Donadios Gruppe an der University of California, Davis, entdeckten die Forscher, dass dies geschieht, weil die Lithiumionen die Atome des Kristalls auseinanderdrücken. Das macht es für die Hitze schwieriger, durchzukommen.

Aditya Sood, ein Postdoc mit Goodson und Pop und Mitautor des Forschungsberichtes, verglich den Wärmetransistor mit dem Thermostat in einem Auto. Wenn das Fahrzeug kalt ist, ist der Thermostat ausgeschaltet, wodurch verhindert wird, dass Kühlmittel fließt - der Motor speichert Wärme.

Während sich der Motor erwärmt, öffnet sich der Thermostat und das Kühlmittel beginnt zu fließen, um den Motor auf einer optimalen Temperatur zu halten. Die Forscher stellen sich vor, dass thermische Transistoren, die an Computerchips angeschlossen sind, ein- und ausgeschaltet werden, um die Wärmeschäden in empfindlichen elektronischen Geräten zu begrenzen.

Die Ergebnisse des Teams ermöglichen nicht nur eine dynamische Wärmeregelung, sondern liefern auch neue Erkenntnisse darüber, was zum Ausfall von Lithium-Ionen-Batterien führt.

Da die porösen Materialien in einer Batterie mit Lithium angereichert sind, behindern sie den Wärmefluss, was zu einem Temperaturanstieg führt. Das Wissen über diesen Prozess ist entscheidend für die Entwicklung sicherer Batterien.

In fernerer Zukunft stellen sich die Forscher vor, dass thermische Transistoren in Schaltungen integriert werden könnten, um mit Hilfe von Wärmelogik Berechnungen auszuführen, ähnlich wie Halbleitertransistoren es mit Hilfe von Strom tun.

Aber obwohl sie von dem Potenzial der Wärmesteuerung im Nanobereich begeistert sind, sagen die Forscher, dass diese Technologie vergleichbar ist mit dem, was die ersten elektronischen Transistoren vor etwa 70 Jahren waren, als selbst deren Erfinder nicht vollständig ahnen konnten, was sie ermöglicht hatten.

"Zum ersten Mal ist jedoch ein praktischer Nano-Wärmetransistor in Reichweite", sagte Goodson.

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