Ett en-atom tjockt ark av grafen (markerat i det cirkulära fönstret) ovanpå ett kiseldioxidstöd visar sig vara en utmärkt värmeledare, enligt ny forskning som publicerats i tidskriften Vetenskap. Även om interaktionen med kiseldioxiden undertryckte grafenens värmeledningsförmåga jämfört med dess fristående form, stödd grafen visade fortfarande mycket högre värmeledningsförmåga än nanostrukturer av kisel och koppar. Detta fynd i kombination med grafens överlägsna styrka och elektronrörlighet gör det till en lovande kandidat för användning i nästa generations nanoelektroniska enheter. Kredit:University of Texas i Austin
Det enatomtjocka materialet grafen bibehåller sin höga värmeledningsförmåga när det stöds av ett substrat, ett kritiskt steg för att flytta materialet från ett laboratoriefenomen till en användbar komponent i en rad nano-elektroniska enheter, forskare rapporterar i 9 april -numret av tidskriften Science.
Teamet av ingenjörer och teoretiska fysiker från University of Texas i Austin, Boston College, och Frankrikes kommission för atomenergi rapporterar det supertunna arket kolatomer - hämtat från det tredimensionella materialet grafit - kan överföra värme mer än dubbelt så effektivt som koppartunna filmer och mer än 50 gånger bättre än tunna filmer av kisel.
Sedan upptäckten 2004, grafen har betraktats som ett lovande nytt elektroniskt material eftersom det erbjuder överlägsen elektronmobilitet, mekanisk styrka och värmeledningsförmåga. Dessa egenskaper är avgörande när elektroniska enheter blir mindre och mindre, presenterar ingenjörer med ett grundläggande problem att hålla enheterna tillräckligt svala för att fungera effektivt.
Forskningen främjar förståelsen av grafen som en lovande kandidat för att dra bort värme från "hot spots" som bildas i de täta utrymmena i enheter byggda på mikro- och nanoskala. Ur en teoretisk synvinkel, teamet utvecklade också en ny syn på hur värme flödar i grafen.
Vid avstängning, grafen har extremt hög värmeledningsförmåga på 3, 000 till 5, 000 watt per meter per Kelvin. Men för praktiska tillämpningar, det kycklingtrådsliknande grafengittret skulle fästas på ett substrat. Teamet fann att grafen som stöds fortfarande har värmeledningsförmåga så hög som 600 watt per meter per Kelvin nära rumstemperatur. Det överstiger värmeledningsförmågan hos koppar, cirka 250 watt, och kisel, endast 10 watt, tunna filmer som för närvarande används i elektroniska enheter.
Förlusten i värmeöverföring är resultatet av grafens interaktion med substratet, som stör grafenatoms vibrationsvågor när de stöter mot det intilliggande substratet, enligt medförfattaren David Broido, en professor i fysik vid Boston College.
Slutsatsen drogs med hjälp av tidigare teoretiska modeller om värmeöverföring inom suspenderad grafen, Sa Broido. Arbetar med tidigare BC doktorand Lucas Lindsay, nu instruktör vid Christopher Newport University, och Natalio Mingo från Frankrikes kommission för atomenergi, Broido undersökte på nytt den teoretiska modellen för att förklara prestanda för suspenderad grafen.
"Som teoretiker, vi är mycket mer fristående från enheten eller den tekniska sidan. Vi är mer fokuserade på grunderna som förklarar hur energi flödar genom ett ark grafen. Vi tog vår befintliga modell för suspenderat grafen och utökade den teoretiska modellen för att beskriva denna interaktion som äger rum mellan grafen och substratet och påverkan på värmens rörelse genom materialet och, i sista hand, det är värmeledningsförmåga. "
Förutom sin överlägsna styrka, elektronmobilitet och värmeledningsförmåga, grafen är kompatibel med tunnfilms kiseltransistorenheter, en avgörande egenskap om materialet ska användas till låg kostnad, massproduktion. Grafen nano-elektroniska enheter har potential att förbruka mindre energi, kör svalare och mer pålitligt, och fungerar snabbare än den nuvarande generationen kisel- och kopparanordningar.
