2020年4月15日，牛津大學(xué)、代爾夫特大學(xué)和IBM蘇黎世組成的一組研究人員發(fā)現(xiàn)了石墨烯可用于構(gòu)建靈敏且自供電的溫度傳感器。這一重大發(fā)現(xiàn)為熱電偶的設(shè)計(jì)提供了很大的幫助。

熱電偶是低成本測(cè)溫的理想選擇，因?yàn)樗鼈兪亲怨╇姷?，相?duì)容易制造。同時(shí)，它們的靈敏度往往變化很小，因?yàn)樗鼈兊男盘?hào)來(lái)源于固有的材料特性。通常，熱電偶是兩種具有不同Seebeck系數(shù)的材料的組合，連接在傳感端，從而可以測(cè)量在傳感和參考之間建立的與溫度差成比例的熱電壓。為了用常規(guī)熱電偶實(shí)現(xiàn)片上測(cè)溫，通常需要兩個(gè)獨(dú)立的制造過(guò)程。然而，可以很容易地集成到當(dāng)前晶圓級(jí)集成中的熱電偶已經(jīng)引起了人們的興趣，此前報(bào)道了多方面的努力來(lái)制造單金屬熱電偶。然而，這些熱電偶的靈敏度很小(約為1μV/K)，占地面積大，厚度約為100納米。

來(lái)自牛津大學(xué)、代爾夫特大學(xué)和IBM蘇黎世大學(xué)的研究人員團(tuán)隊(duì)現(xiàn)已證明，石墨烯可用于構(gòu)建敏感的、單材料和自供電的溫度傳感器。他們將石墨烯(一個(gè)單原子厚的碳原子薄片)做成了U形圖案，在傳感端連接著一條寬窄的腿。通過(guò)仔細(xì)調(diào)整石墨烯支腳的幾何形狀并利用電子在石墨烯器件邊緣的散射效應(yīng)，研究小組獲得了最大靈敏度ΔS≈39μV/ K。

據(jù)研究人員介紹，這項(xiàng)研究結(jié)果可能為高靈敏度熱電偶的設(shè)計(jì)鋪平道路，并有可能集成在范德華結(jié)構(gòu)和未來(lái)的石墨烯電路中。此外，由于石墨烯的生物惰性和在各種情況下的穩(wěn)定性，這些熱電偶還可以在惡劣或敏感的環(huán)境(例如細(xì)胞和其他生物系統(tǒng))中用作溫度傳感器。

同時(shí)，該溫度傳感器芯片具有可擴(kuò)展性、可靠性，可安裝到納米設(shè)備中，將是未來(lái)CPU熱管理的關(guān)鍵。通過(guò)沿臨界點(diǎn)分布的溫度監(jiān)視器來(lái)確定CPU的某些部分的局部加熱，可以向控制系統(tǒng)提供反饋。作為響應(yīng)，熱管理可以允許通過(guò)點(diǎn)冷或負(fù)載分配((例如在不同的計(jì)算核心之間)進(jìn)行熱負(fù)載的重新分配，從而避免熱點(diǎn)、延長(zhǎng)設(shè)備壽命并節(jié)約能源。這樣的溫度傳感器應(yīng)具有較小的占地面積、高精度、消耗最少的功率并且與已建立的納米制造技術(shù)兼容。