Инженеры изготовили термопару из графена, сформировав его в виде буквы П, хотя обычно для этого используют два разных материала. Это позволило увеличить чувствительность к температуре, уменьшить размер и упростить производство, что позволит использовать изобретение в термометрах в наноразмерной электронике.

Статья опубликована в журнале Advanced Functional Materials.

Если спаять проволоки из разных металлов, например, железа и меди, и место спайки нагреть, то вследствие эффекта Зеебека возникнет ток. Такое устройство называют термопарой, и ток в нем зависит от разницы температур между свободными концами и соединением. Поэтому, зная температуру одной точки, можно вычислить температуру второй.

Термопары массово применяются для контроля температуры благодаря своей простоте, точности, надежности и широкому измеряемому диапазону. В том числе они применяются в процессорах, чтобы в случае перегрева успеть выключить устройство или уменьшить нагрузку. Проблема в том, что традиционную термопару из разных металлов невозможно сделать в ходе обычного производственного процесса чипов, и поэтому приходится организовывать второй отдельный, за счет чего конструкция удорожается и усложняется.

Аким Харжим (Achim Harzheim) из Оксфордского университета и его коллеги придумали новый тип термопары. Они решили использовать не два разных материала, а один, но сложной формы.

Дело в том, что для возникновения тока у двух проводников должен быть разный коэффициент Зеебека. Он отличается у разных металлов, но в случае с очень тонкими плоскими материалами также зависит и от их ширины.

Это происходит оттого, что на этот коэффициент влияет длина свободного пробега электронов в материале, и чем кусок уже, тем сильнее уменьшается пробег за счет рассеяния электронов на гранях. Следовательно, между очень тонкими проводниками разной ширины может возникнуть термоэлектрический эффект.

Для реализации этого проводятся эксперименты с разными металлами, но термопары на их основе получаются слишком большими, длиной сотни микрон, а их чувствительность неудовлетворительна. Поэтому, ученые решили в качестве плоского проводника использовать графен. Получившееся устройство имеет длину примерно четыре микрона, и по форме напоминает асимметричную букву П.

Напряжение между двумя желтыми контактами слева показывает разницу температур между основанием П-образного графена и его перемычкой / Achim Harzheim et al. / Advanced Functional Materials, 2020

Ее стороны имеют разную ширину, а их перемычка подсоединена к нагреваемому месту, температура которого с помощью новой термопары измерятся с точностью до нескольких милликельвинов. Помимо более простого способа контроля нагрева в современных процессорах, исследователи надеются, что изобретение будет особенно актуально при потенциальном использовании графена в чипах, в случае чего термометр будет органичной частью основной конструкции.