luận văn.mô phỏng và thực nghiệm quá trình tart nhiệt cho vi xử lý máy tính ứng dụng vật liệu ống nano cacbon

ðẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ðẠI HỌC CÔNG NGHỆ BÙI HÙNG THẮNG MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM QUÁ TRÌNH TẢN NHIỆT CHO VI XỬ LÝ MÁY TÍNH ỨNG DỤNG VẬT LIỆU ỐNG NANÔ CÁCBON LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội – 2010 ðẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ðẠI HỌC CÔNG NGHỆ BÙI HÙNG THẮNG MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM QUÁ TRÌNH TẢN NHIỆT CHO VI XỬ LÝ MÁY TÍNH ỨNG DỤNG VẬT LIỆU ỐNG NANÔ CÁCBON Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện Nanô (Chuyên ngành ñào tạo thí ñiểm) LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. PHAN NGỌC MINH Hà Nội – 2010 LỜI CAM ðOAN Tôi xin cam ñoan bản luận văn này là công trình nghiên cứu do chính tôi − học viên Bùi Hùng Thắng, chuyên ngành Vật liệu và Linh kiện nanô, khoa Vật lý Kỹ thuật và Công nghệ nanô, trường ðại học Công nghệ, ðại học Quốc gia Hà Nội hoàn thành dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Phan Ngọc Minh. Bản luận văn không sao chép từ bất kỳ tài liệu nào. Nếu bản luận văn này ñược sao chép từ bất kỳ tài liệu nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước ñơn vị ñào tạo và pháp luật. Hà Nội, ngày 05 tháng 10 năm 2010 Tác giả Bùi Hùng Thắng LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS. Phan Ngọc Minh, người ñã trực tiếp giao ñề tài và tận tình hướng dẫn em hoàn thành luận văn này. Em cũng gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới GS.TS. Nguyễn Năng ðịnh, người thầy ñã truyền ñạt cho em nhiều kiến thức và kinh nghiệm quí báu trong học tập và nghiên cứu khoa học. Em xin chân thành cảm ơn toàn thể cán bộ, ñồng nghiệp trong phòng Vật liệu Cácbon nanô, Viện Khoa học Vật liệu ñã giúp ñỡ em tận tình, tạo ñiều kiện thuận lợi và cho em nhiều kinh nghiệm quí báu trong suốt quá trình làm thí nghiệm, nghiên cứu, hoàn thành luận văn. Em xin ñược bày tỏ lòng biết ơn ñối với các thầy cô giáo Trường ðại học Công nghệ, ðại học Quốc Gia Hà Nội ñã chỉ bảo và giảng dạy em trong suốt những năm học qua cũng như việc hoàn thành luận văn này. Nội dung của luận văn là một phần công việc của ñề tài nghiên cứu cơ bản “Nghiên cứu hiệu ứng và cơ chế tản nhiệt sử dụng vật liệu ống nanô cácbon, ống nanô cácbon ñịnh hướng và màng kim cương nhân tạo trong các linh kiện ñiện tử công suất”. Mã số 103.03.47.09 do Quỹ Phát triển Khoa học và Công nghệ Quốc gia − NAFOSTED tài trợ. Cuối cùng, xin ñược bày tỏ tình cảm tới các bạn trong tập thể lớp Cao học K15N ñã ñộng viên, hỗ trợ em về mọi mặt. Em xin chân thành cảm ơn! Học viên: Bùi Hùng Thắng MỤC LỤC Trang MỞ ðẦU 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 4 1.1 Tổng quan về vật liệu ống nanô các bon 4 1.1.1 Lịch sử phát triển 4 1.1.2 Cấu trúc của ống nanô cácbon 8 1.1.3 Các phương pháp chế tạo ống nanô cácbon 10 1.1.4 Tính chất của vật liệu CNTs 14 1.2 Tản nhiệt cho vi xử lý máy tính 21 1.2.1 Tổng quan về CPU 21 1.2.2 Vai trò của tản nhiệt và các phương pháp tản nhiệt 22 1.2.3 Vai trò, tác dụng của kem tản nhiệt 25 1.2.4 Một số loại kem tản nhiệt trên thị trường 26 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 28 2.1 Ý tưởng ứng dụng CNTs trong kem tản nhiệt 28 2.2 Phương án thực nghiệm 28 2.3 Hệ thiết bị và phương án thí nghiệm 29 2.3.1 Hệ thí nghiệm 29 2.3.2 Thiết bị phần cứng 29 2.3.3 Các phần mềm hỗ trợ 30 2.3.4 Các hóa chất và vật liệu sử dụng 31 2.4 Các bước tiến hành thí nghiệm 34 2.4.1 Quá trình chế tạo kem 34 2.4.2 Khảo sát quá trình tản nhiệt của vi xử lý 34 2.5 Các phương pháp phân tích 34 2.5.1 Kính hiển vi ñiện tử quét (SEM) 35 2.5.2 Phổ Raman 36 2.5.3 Phổ huỳnh quang tia X (EDX) 36 2.6 Phương pháp mô phỏng 37 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 40 3.1 Kết quả chụp SEM 40 3.2 Phổ Raman 41 3.3 Phổ EDX 42 3.4 Xác ñịnh nồng ñộ CNTs tối ưu trong kem tản nhiệt 43 3.5 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm quá trình tản nhiệt 44 3.5.1 Không sử dụng kem tản nhiệt 44 3.5.2 Kem tản nhiệt STARS 45 3.5.3 Kem tản nhiệt STARS pha CNTs 46 3.5.4 Kem tản nhiệt AS5 47 3.5.5 Kem tản nhiệt AS5 pha CNTs 48 3.5.6 Quá trình giảm nhiệt ñộ của CPU 49 3.6 Tính ổn ñịnh và tuổi thọ của kem tản nhiệt 50 3.7 Bước ñầu ứng dụng CNTs trong tản nhiệt cho LED 50 KẾT LUẬN 53 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt CNTs Carbon Nanotubes Ống nanô cacbon CVD Chemical Vapor Deposition Ngưng tụ pha hơi hoá học EDX Energy Dispersive X-Ray spectroscopy Phổ tán xạ năng lượng tia X SEM Scanning Electron Microscopy Kính hiển vi ñiện tử quét SWCNTs Single-Walled Carbon Nanotubes Ống nanô cacbon ñơn tường MWCNTs Multi-Walled Carbon Nanotubes Ống nanô cacbon ña tường DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ðỒ THỊ Trang Hình 1.1. Các trạng thái lai hóa khác nhau của các bon Hình 1.2. Cấu trúc Graphit: a) Chiều ñứng b)Chiều ngang Hình 1.3. a) Cấu trúc tinh thể của kim cương b) Kim cương dạng khối Hình 1.4. Cấu trúc cơ bản của các Fullerenes a) C60 b) C70 c) C80 Hình 1.5. Các dạng cấu trúc của CNTs: a) SWCNTs b) MWCNTs Hình 1.6. Hình 1.6. (a) Véc tơ chiral, (b) CNTs loại amchair(5, 5), zigzag (9, 0) và chiral (10, 5) Hình 1.7. Các loại defeet trên ống CNTs: a) ở ñầu ống, b) ở thân ống Hình 1.8. Sơ ñồ thiết bị hồ quang ñiện Hình 1.9. Hệ phóng ñiện hồ quang bằng plasma quay Hình 1.10. Sơ ñồ hệ thiết bị bốc bay bằng laser Hình 1.11. Sơ ñồ khối hệ CVD nhiệt Hình 1.12. a) Cấu trúc ñiện tử của hàm phân bố năng lượng, b) vùng Brillouin của graphene Hình 1.13. Hàm phân bố năng lượng: a) armchair(5,5) b) zigzag (9,0) c) zigzag(10,0) Hình 1.14. So sánh ñộ dẫn nhiệt của CNTs với các vật liệu khác Hình 1.15. a) Sự phụ thuộc của ñộ dẫn nhiệt của CNTs vào nhiệt ñộ b) So với graphite và mạng graphene Hình 1.16. Các loại CPU (vi xử lý) thường gặp Hình 1.17. Cấu trúc bên trong của CPU Hình 1.18. Hệ thống tản nhiệt bằng quạt gió Hình 1.19. Hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng Hình 1.20. Nitơ hóa lỏng ñược rót vào ống làm lạnh gắn trên CPU Hình 1.21. Sơ ñồ hệ tản nhiệt dùng quạt có kem tản nhiệt Hình 1.22. Tác dụng của kem tản nhiệt Hình 1.23. Kem tản nhiệt Stars 350 Hình 1.24. Kem tản nhiệt FrozenCPU Copper Hình 1.25. Kem tản nhiệt Arctic Silver 5 Hình 2.1. Hệ thí nghiệm khảo sát nhiệt ñộ CPU Hình 2.2. Sơ ñồ mạch ñiện ño nhiệt ñộ CPU Hình 2.3. Giao diện phần mềm Speedfan Hình 2.4. Giao diện phần mềm StressPrime 2004 ORTHOS 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 19 19 21 21 23 24 24 25 26 26 27 27 29 30 30 31 Hình 2. 5 . Vật liệu CNTs sử dụng trong thí nghiệm Hình 2.6. Vật liệu CNTs biến tính sử dụng trong thí nghiệm Hình 2.7. Vật liệu CNTs/pani sử dụng trong thí nghiệm Hình 2.8. Kem Stars 350 Hình 2.9. Kem Arctic siliver 5 Hình 2.10. Chloroform và cấu tạo hóa học Hình 2.11. Các bước bôi kem tản nhiệt lên CPU Hình 2.12. Mô hình hệ thống tản nhiệt cho vi xử lý máy tính Hình 2.13. Sơ ñồ mạch thể hiện hệ thống tản nhiệt cho vi xử lý Hình 2.14. Sơ ñồ mạch hệ thống tản nhiệt cho vi xử lý ñơn giản hóa Hình 3.1. Ảnh SEM của kem Arctic silver 5 ở ñộ phân giải 6.000 lần và 22.000 lần Hình 3.2. Ảnh SEM của kem Stars CNTs 5% ở ñộ phân giải 13.000 lần, chế tạo bằng phương pháp trộn cơ học Hình 3.3. Ảnh SEM của kem Arctic silver 5 CNTs 3% ở ñộ phân giải 80.000 lần, chế tạo bằng phương pháp có hỗ trợ bằng dung môi chloroform, khuấy từ và rung siêu âm Hình 3.4. Phổ Raman của kem Stars (a) và kem Stars pha CNTs 2% (b) Hình 3.5. Kết quả phân tích EDX của kem Stars pha 2% CNTs Hình 3.6. Kết quả phân tích EDX của kem AS5 pha 2% CNTs Hình 3.7. Kết quả thực nghiệm với kem tản nhiệt STARS / CNTs với nồng ñộ của CNTs từ 1% wt. ñến 7% wt. Hình 3.8. Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt ñộ của CPU khi không sử dụng kem tản nhiệt Hình 3.9. Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt ñộ của CPU khi sử dụng kem tản nhiệt STARS Hình 3.10. Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt ñộ của CPU khi sử dụng kem tản nhiệt STARS pha 2% CNTs Hình 3.11. Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt ñộ của CPU khi sử dụng kem tản nhiệt AS5 Hình 3.12. Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt ñộ của CPU khi sử dụng kem tản nhiệt AS5 pha 2% CNTs Hình 3.13. Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt ñộ của CPU trong quá trình giảm nhiệt ñộ khi sử dụng kem tản nhiệt STARS 31 32 32 33 33 33 34 37 38 38 40 40 41 41 42 42 43 44 45 46 47 48 49 Hình 3.1 4 . Kết quả thực nghiệm với kem tản nhiệt STARS / 2% CNTs với thời gian kéo dài 10000 giây 50 Hình 3.1 5 . Các ảnh SEM của (a) ñế tản nhiệt cho LED, (b) ñế tản nhiệt ñã ñược phủ lớp màng VA-CNTs, (c) ảnh SEM của lớp màng VA- CNTs 51 Hình 3.1 6 . Hình ảnh chip LED ñược gắn trên ñế Cu 51 Hình 3.1 7 . Ảnh chụp ñộ sáng từ linh kiện LED với dòng ñầu vào (a) 100 mA, (b) 350 mA sử dụng màng VA-CNTs và (c) 500 mA sử dụng màng VA-CNTs 52 [...]... ñi n t va ñ p vào nhau và vào các nút m ng trong c u trúc tinh th t o ra nhi t năng Do v y trong quá trình ho t ñ ng, transistor s t a ra m t lư ng nhi t, v i s lư ng transistor r t l n, lên ñ n hàng ch c th m chí hàng trăm tri u transistor, vi x lý s to ra m t lư ng nhi t r t l n trong quá trình ho t ñ ng Hi n nay có hai lo i vi x lý máy tính: vi x lý 32 bit và vi x lý 64 bit M t vi x lý 32 bit tiêu... cácbon, các tính ch t n i b t, các ng d ng và phương pháp ch t o Các phương pháp t n nhi t cho vi x lý máy tính, các lo i kem t n nhi t thông d ng trên th trư ng hi n nay CHƯƠNG 2: TH C NGHI M Trình bày ý tư ng ng d ng CNTs ñ t n nhi t cho vi x lý máy tính, các phương pháp nghiên c u ñư c s d ng ñ kh o sát c u trúc c a v t li u như các phương pháp SEM và Raman Phương pháp mô ph ng ñ kh o sát quá trình t... logic 0 và 1 • Ho t ñ ng Ch c năng cơ b n c a máy tính là th c thi chương trình Chương trình ñư c th c thi g m m t dãy các ch th ñư c lưu tr trong b nh ðơn v x lý trung tâm (CPU) ñ m nh n vi c th c thi này Quá trình th c thi chương trình g m hai bư c: CPU ñ c ch th t b nh và th c thi ch th ñó Các ch th ñư c ñưa vào CPU b ng ngôn ng máy, ñó là các dòng l nh ch g m hai bit 0 và 1, vi c gi i mã và th c... nanô cácbon ñ t n nhi t cho vi x lý máy tính Do ñó tôi ch n hư ng nghiên c u v i n i dung: “Mô ph ng và th c nghi m quá trình t n nhi t cho vi x lý máy tính là ñ tài Lu n văn Th c s 1 M c ñích nghiên c u – Th nghi m ñưa v t li u ng nanô cácbon (CNTs) vào kem t n nhi t thương mai có s n trên th trư ng v i n ng ñ ph n trăm CNTs t 1-5% kh i lư ng (.wt) Kh o sát nhi t ñ c a vi x lý v i các lo i kem ch... p và ñ i s ng, trong ñó tiêu bi u là v t li u ng nanô các bon (CNTs - Carbon NanoTubes) Các nghiên c u và th nghi m ñã cho th y v t li u CNTs là v t li u có ñ d n nhi t cao nh t ñư c bi t ñ n hi n nay, vì v y r t có ti m năng trong vi c ng d ng CNTs làm v t li u kem t n nhi t cho vi x lý máy tính D a vào nh ng k t qu nghiên c u ch t o thành công v t li u ng nanô cácbon t i Vi n Khoa h c V t li u và. ..M ð U Máy vi tính cá nhân (PC) ngày càng tr nên ph bi n và ñư c ng d ng r ng rãi trong nhi u lĩnh v c c a ñ i s ng, trong ñó vi x lý là b ph n quan tr ng nh t, có ch c năng x lý l nh và s li u V i s phát tri n nhanh c a khoa h c và công ngh , m t ñ tích h p transistor trong vi x lý (CPU) ngày càng cao, t 55 tri u transistor Pentium 4 Prescott ñ n th h vi x lý lõi t là 400 tri u transistor... phương pháp l ng ñ ng hóa h c t pha hơi (CVD) nhi t – Kh o sát c u trúc và các tính ch t c a v t li u kem t n nhi t cho vi x lý ch t o ñư c b ng các phương pháp: Kính hi n vi ñi n t quét (SEM), ph tán x Raman – Kh o sát quá trình tăng gi m nhi t ñ c a CPU b ng sensor nhi t tích h p trong vi x lý và ph n m m SpeedFan – Mô ph ng quá trình t n nhi t c a CPU, qua ñó ñánh giá hi u qu t n nhi t c a lo i kem... su t l n, các h th ng máy tính ñ ng b do các nhà s n xu t n i ti ng thi t k , ñ u ñã tính toán kĩ ñ n v n ñ này, ñó là m t ph n làm nên s n ñ nh và b n b c a nh ng c máy “ñ ng b ” n i ti ng Nhi u khi h th ng t n nhi t còn ñ t ti n ngang ng a nh ng CPU ñ t nh t 1.2.1 T ng quan v CPU Vi x lý (Central Processing Unit – CPU – ñơn v x lý trung tâm), là b ph n quan tr ng c a máy vi tính, nó là m t m ch ñi... a vi x lý v i các lo i kem ch t o ñư c – Xây d ng mô hình mô ph ng quá trình t n nhi t c a vi x lý, ñ c trưng tăng gi m nhi t ñ c a vi x lý theo th i gian, công su t làm vi c và ñ d n c a kem t n nhi t – So sánh th c nghi m v i quá trình mô ph ng ñ so sánh, ñánh giá hi u su t t n nhi t c a các lo i kem ng d ng v t li u CNTs, qua ñó tính toán ñ d n nhi t c a kem t n nhi t Phương pháp nghiên c u – Ch... và sinh h c, các thi t b quang ñi n, tích tr năng lư ng, và 19 phát x trư ng MWCNTs có tính ch t kim lo i ho c bán kim lo i ph thu c vào c u trúc c a ng, vì v y MWCNTs có nhi u ng d ng khác nhau như làm ñi n c c nanô, phát x trư ng và tích tr năng lư ng 20 1.2 T n nhi t cho vi x lý máy tính T t c các h thi t b ñi n t , các linh ki n c a máy tính khi ho t ñ ng ñ u có m t ph n ñi n năng chuy n hóa thành . MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM QUÁ TRÌNH TẢN NHIỆT CHO VI XỬ LÝ MÁY TÍNH ỨNG DỤNG VẬT LIỆU ỐNG NANÔ CÁCBON Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện. MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM QUÁ TRÌNH TẢN NHIỆT CHO VI XỬ LÝ MÁY TÍNH ỨNG DỤNG VẬT LIỆU ỐNG NANÔ CÁCBON LUẬN VĂN THẠC SĨ