Ett universitet i Kalifornien, Riverside ingenjörsprofessor och ett team av forskare har gjort en banbrytande upptäckt med grafen, ett material som kan spela en viktig roll för att förhindra att bärbara datorer och andra elektroniska enheter överhettas.
Alexander Balandin, en professor i elektroteknik vid UC Riverside Bourns College of Engineering, och forskare från University of Texas i Austin, University of Texas i Dallas och Xiamen University i Kina, har visat att de termiska egenskaperna hos isotopiskt framställd grafen är vida överlägsna de hos grafen i dess naturliga tillstånd.
Forskningsinsatserna leddes av professor Rodney S. Ruoff vid UT Austin och Balandin, en motsvarande författare för tidningen, "Värmeledningsförmåga hos isotopiskt modifierad grafen." Den publicerades online den 8 januari av tidskriften Naturmaterial och kommer senare att visas i den tryckta publikationen.
Resultaten ger grafen – en enatoms tjock kolkristall med unika egenskaper, inklusive överlägsen elektrisk och värmeledningsförmåga, mekanisk styrka och unik optisk absorption – ett steg närmare att användas som värmeledare för att hantera värmeavledning i allt från elektronik till solcellssolceller till radar.
"Det viktiga fyndet är möjligheten till en stark förbättring av värmeledningsegenskaperna hos isotopiskt ren grafen utan väsentlig förändring av elektriska, optiska och andra fysikaliska egenskaper, " Sa Balandin. "Isotopiskt ren grafen kan bli ett utmärkt val för många praktiska tillämpningar förutsatt att kostnaden för materialet hålls under kontroll."
Han tillade:"Experimentella data om värmeledning i isotopiskt konstruerad grafen är också avgörande för att utveckla en korrekt teori om värmeledningsförmåga i grafen och andra tvådimensionella kristaller."
Forskningen använde den optotermiska Raman-metoden, en mätteknik för värmeledningsförmåga utvecklad av Balandin. 2008, Balandin och hans gruppmedlemmar visade experimentellt att grafen är en utmärkt värmeledare. De utvecklade också den första detaljerade teorin om värmeledning i grafen och relaterade tvådimensionella kristaller.
Arbetet som presenteras i Nature Materials uppsats visar att värmeledningsförmågan hos isotopiskt konstruerad grafen är starkt förbättrad jämfört med grafen i dess naturliga tillstånd.
Naturligt förekommande kolmaterial, inklusive grafen, består av två stabila isotoper:cirka 99 procent av 12C (kallas "kol 12") och 1 procent av 13C (kallas "kol 13"). Skillnaden mellan isotoper ligger i kolatomernas atommassa. Avlägsnandet av bara cirka 1 procent av kol 13, även kallad isotoprening, modifierar de dynamiska egenskaperna hos kristallgitter och påverkar deras värmeledningsförmåga.
Vikten av föreliggande forskning förklaras av praktiska behov av material med hög värmeledningsförmåga. Värmeavlägsnande har blivit en avgörande fråga för fortsatta framsteg inom elektronikindustrin, på grund av ökade nivåer av förbrukad effekt när enheterna blir mindre och mindre. Sökandet efter material som leder värme väl har blivit avgörande för utformningen av nästa generation av integrerade kretsar och tredimensionell elektronik. Balandin, som också är grundande ordförande för materialvetenskap och ingenjörsprogrammet (MS&E) vid UC Riverside, tror att grafen gradvis kommer att införlivas i olika enheter.
Till en början det kommer sannolikt att användas i vissa nischapplikationer som termiska gränssnittsmaterial för chipförpackningar eller transparenta elektroder i solceller eller flexibla displayer, han sa.
Om några år, det kan användas med kisel i datorchips, till exempel som sammankopplingsledningar eller värmespridare. Det har också potential att gynna andra elektroniska applikationer, inklusive analoga högfrekventa transistorer, som används i trådlös kommunikation, radar, säkerhetssystem och bildbehandling.
Balandin och följande forskare bidrog till resultaten i Naturmaterial papper:
Teamet på UT Austin, som utförde isotoprening av grafen, ingår Ruoff, Shanshan Chen, en postdoktor, Weiwei Cai, en före detta postdoktor som nu är professor vid Xiamen University och Columbia Mishra, en doktorand.
Teamet på UT Dallas, som utförde simuleringar av molekylär dynamik som jämförde väl med den starkare termiska anslutningen hos den isotopiskt konstruerade grafenen, inkluderade Kyeongjae Cho, en professor, och Hengji Zhang, doktorand.
