grafen, en enatoms tjock form av kolmaterialet grafit, har hyllats som ett undermaterial – starkt, ljus, nästan genomskinlig och en utmärkt ledare av elektricitet och värme — och det kan det mycket väl vara. Men ett antal praktiska utmaningar måste övervinnas innan det kan dyka upp som en ersättning för kisel och andra material i mikroprocessorer och nästa generations energienheter.

En särskild utmaning gäller frågan om hur grafenark kan användas i verkliga enheter.

"När du tillverkar enheter med grafen, du måste stödja grafenet på ett substrat och att göra det undertrycker faktiskt den höga värmeledningsförmågan hos grafen, sa Li Shi, en professor i maskinteknik vid University of Texas i Austin, vars arbete delvis finansieras av National Science Foundation (NSF).

Värmeledningsförmåga är avgörande inom elektronik, speciellt när komponenterna krymper till nanoskalan. Hög värmeledningsförmåga är bra för elektroniska enheter tillverkade av grafen. Det betyder att enheten kan sprida värmen den genererar för att förhindra bildning av lokala hot spots. Dock, i fallet med grafen, när de nödvändiga stödmaterialen också används, grafen förlorar en del av den superhöga värmeledningsförmåga som förutsägs för dess idealiserade tillstånd när det är fritt upphängt i ett vakuum.

I en tidning publicerad i september 2013 i Proceedings of the National Academy of Sciences , Shi, tillsammans med doktorandforskaren Mir Mohammad Sadeghi och postdoktor Insun Jo, designade ett experiment för att observera effekterna av värmeledningsförmåga när tjockleken på grafen uppburen på ett amorft glasskikt ökades. De observerade att värmeledningsförmågan ökade när antalet lager växte från ett enda enatomslager till så tjockt som 34 lager. Dock, även vid 34 lager, den termiska konduktiviteten hade inte återhämtat sig till den punkt där den var lika hög som bulkgrafit, vilket är en utmärkt värmeledare.

Dessa fynd leder Shi och andra att utforska nya sätt att stödja eller koppla grafen med den makroskopiska världen, inklusive tredimensionella sammankopplade skumstrukturer av grafen och ultratunn grafit, eller användning av hexagonal bornitrid, som har nästan samma kristallstruktur som grafen.

"Ett av våra mål är att använda grafen och andra lagermaterial för att göra flexibla elektroniska enheter. Och dessa enheter kommer att tillverkas på plastsubstrat, som är flexibla, men har också mycket låg värmeledningsförmåga, " Shi förklarade. "När du kör ström genom enheterna, många av dem misslyckas. Värmen kan inte avledas effektivt, så det blir väldigt varmt och det smälter bara substratet."

Smältning är inte det enda problemet. När temperaturen blir högre, det flexibla polymersubstratet kan bli ett smält och gummiliknande material som bryter sönder de elektroniska materialen som är byggda ovanpå och gör att små ledande ledningar i elektroniska enheter lätt går sönder.

"I allmänhet, ett hot chip är inte bra för enheterna, "Shi sade. "Transistorerna kommer att växla långsammare och kommer att kräva mer kraft."

Shi har undersökt de fysikaliska egenskaperna hos grafenbaserade material i mer än ett decennium. Han var medförfattare till en artikel från 2001 i Fysiska granskningsbrev som rapporterade den första mätningen av hög värmeledningsförmåga i enskilda kolnanorör, en kusin till grafen. Han var också medförfattare till en artikel från 2010 Vetenskap som gav kritisk insikt i den termiska konduktiviteten och den termiska transporten i enskiktsgrafen som stöds på ett substrat.

Shi försöker svara på grundläggande frågor om hur fononer - vibrationerna hos atomer i fasta ämnen - transporterar värme. Fononer är som elektroner eller fotoner (ljuspartiklar), genom att de bär värmeenergi. Dock, mycket mindre är känt om fononer eftersom deras effekter är mindre uppenbara i den makroskala vi lever i.

"Denna grundläggande studie gjorde det möjligt för oss att förstå den inneboende fysiken för spridningen av gittervågor, " sa Shi.

Shis experiment lät hans team sluta sig till hur fononer sprids som en funktion av tjockleken på grafenlagren, baserat på observationer av hur värmeledningsförmågan varierade med olika antal lager.

För att samla in dessa insikter, hans team genomförde teoretiska beräkningar med hjälp av superdatorn Stampede vid Texas Advanced Computing Center (TACC), baserad på University of Texas i Austin.

Simuleringarna fick dem att bättre förstå sina experimentella resultat.

"För att verkligen förstå fysiken, du måste inkludera ytterligare teoretiska beräkningar. Det är därför vi använder superdatorerna på TACC, " sa Shi. "När du gör ett experiment, du ser en trend, men utan att göra beräkningarna vet du inte riktigt vad det betyder. Kombinationen av de två är mycket kraftfull. Om du bara gör det ena utan att göra det andra, du kanske inte utvecklar den förståelse som behövs."

De flesta av de termiska systemen som används idag är baserade på äldre teknologier, enligt Shi. Koppar och aluminium fungerar som kylflänsmaterial i datorer; smälta salter och paraffinvax används som lagringsmedium för energi i värmelagringsanordningar; och att utföra termoelektrisk omvandling för spillvärmeåtervinning, vi använder material som vismuttellurid eller blytellurid som innehåller ämnen som antingen inte är rikligt förekommande i jordskorpan eller som inte är miljövänliga.

"Vi är verkligen begränsade av materialen, ", sa Shi. "Kan vi komma på mer effektiva material för att ersätta kopparkopplingar och kopparkylflänsar, eller byta ut kiseltransistorer? Kan vi utveckla termiskt stabila isolatorer för applikationer som brandskydd? Jag tror om 10 år, nya material kommer att upptäckas och implementeras för att ersätta dessa äldre teknologier."

Nyligen, han har undersökt hur flerskiktsgrafen kan återvinna en del av den höga värmeledningsförmåga som går förlorad när grafen placeras på ett glassubstrat, och undersöker även andra kristallina material för att stödja grafen.

Shi och hans team experimenterar och modellerar nya dielektriska stöd, som bornitrid, som har en kristallstruktur som är jämförbar med grafen. Förhoppningen är att dess liknande kristallstruktur kommer att leda till bättre värmeledningsförmåga och mindre fononspridning när de används för att stödja grafen. I en färsk tidning i Tillämpade fysiska bokstäver , Shi och Steve Cronins team vid University of Southern California rapporterade sin undersökning av termisk transport över ett grafen/bor-nitrid-gränssnitt. Resultaten tyder på vikten av att förbättra gränssnittskvaliteten för att öka gränssnittets konduktans.

En annan linje i Shis forskning tittar på material för lagring av värmeenergi. Skriver i decembernumret 2013 av tidskriften Energi- och miljövetenskap , Shis team visade att ultratunna grafenskum kan användas för att öka kraftkapaciteten hos värmelagringsenheter genom att öka hastigheten som värme kan laddas och släppas ut i fasförändringsmaterialen som används för att lagra den termiska energin.

"Den ökade termiska cykelstabiliteten, och tillämpbarhet på en mängd olika fasförändringsmaterial tyder på att ultratunna grafitskumkompositer är en lovande väg för att uppnå målen med hög effektkapacitet för ett antal termiska lagringstillämpningar, inklusive uppvärmning och kylning av byggnader och fordon, solvärmeskörd, och termisk hantering av elektrokemisk energilagring och elektroniska enheter, sa Michael Pettes, professor i maskinteknik vid University of Connecticut och medförfattare till artikeln.

"Det är Shis grundläggande arbete med material i nanoskala inklusive grafen som har väglett utformningen av skalbara material som kan dra nytta av nanostrukturering och ge möjligen revolutionerande samhällsnytta."

Den röda tråden för all denna forskning är utvecklingen av en förståelse för hur de grundläggande energibärarna – inklusive elektroner, fotoner, fononer och molekyler - transporteras och kopplas till varandra i material, sa Shi.

"Professor Shi har varit banbrytande i arbetet med mätningar av fonontransport på nanoskala och har genomfört mätningar över en rad olika system i nanoskala. Han var bland de första som rapporterade mätningar som visar den viktiga effekten av ett substrat på minskning av värmeledningsförmågan i grafen, " sa Sumant Acheriya, en NSF-programansvarig. "NSF har också stöttat professor Shi i utvecklingen av billiga termoelektriska silicidmaterial med avsikten att främja utvecklingen av termoelektriskt baserad spillvärmeåtervinning från bilar. Professor Shi är ledande inom området för värmetransport i nanoskala, och jag är glad att NSF har kunnat stödja många av Prof. Shis banbrytande forskning."

Förutom NSF:s program för termiska transportprocesser, Shis forskning har fått stöd av Office of Naval Research, Institutionen för energikontor för grundläggande energivetenskap och ARPA-E. Ett av deras projekt är nu en del av det övergripande arbetet från NASCENT-centret för nanotillverkningssystem för mobila datorer och mobila energiteknologier, grundades 2013 och baserad vid University of Texas i Austin. Det NSF-finansierade ingenjörsforskningscentret utvecklar hög genomströmning, hög avkastning och mångsidiga nanotillverkningssystem för att ta nanovetenskapliga upptäckter från labbet till marknaden.

Trots en lång historia av att utforska och designa med materialet, Shi hävdar inte att grafen alltid kommer att vara överlägset andra material.

"Men det har spännande möjligheter för applikationer, " sade han. "Och det är stor fysik inblandad."