Forskare har hittat ett oväntat sätt att kontrollera värmeledningsförmågan hos tvådimensionella (2D) material, vilket gör det möjligt för elektronikdesigners att avleda värme i elektroniska enheter som använder dessa material.
2-D-material har en skiktad struktur, där varje lager har starka bindningar horisontellt, eller "i plan, "och svaga bindningar mellan lagren, eller "ut ur planet." Dessa material har unika elektroniska och kemiska egenskaper, och hålla löften för användning för att skapa flexibla, tunn, lättvikts elektroniska enheter.
För många av dessa potentiella tillämpningar, det är viktigt att kunna avleda värme effektivt. Och det här kan vara knepigt. I 2D-material, värme leds annorlunda i plan än vad den är utanför planet.
Till exempel, i en klass av 2D-material, kallas TMD, värme leds med 100 watt per meter per Kelvin (W/mK) i plan, men på endast 2 W/mK utanför planet. Det ger det ett "termiskt anisotropiförhållande" på cirka 50.
För att bättre förstå de termiska ledningsegenskaperna hos 2D-material, ett team av forskare från North Carolina State University, University of Illinois i Urbana-Champaign (UI) och Toyota Research Institute of North America (TRINA) började experimentera med molybdendisulfid (MoS2), som är en TMD.
Forskarna fann att genom att introducera störning i MoS2, de kan väsentligt förändra det termiska anisotropiförhållandet.
Forskarna skapade denna störning genom att introducera litiumjoner mellan lagren av MoS2. Litiumjonernas närvaro gör två saker samtidigt:det sätter lagren av 2-D-materialet ur linje med varandra, och det tvingar MoS2 att omordna strukturen av dess komponentatomer.
När förhållandet mellan litiumjoner och MoS2 nådde 0,34, den termiska konduktiviteten i planet var 45 W/mK, och den termiska konduktiviteten utanför planet sjönk till 0,4 W/mK - vilket ökade materialets termiska anisotropiförhållande från 50 till mer än 100. Med andra ord, det var mer än dubbelt så troligt att värme färdades i flygplan — längs lagret, snarare än mellan lagren.
Och det var hur bra som helst. Tillsats av färre litiumjoner gjorde det termiska anisotropiförhållandet lägre. Att lägga till fler joner gjorde det också lägre. Men i båda fallen, förhållandet påverkades på ett förutsägbart sätt, vilket innebär att forskarna kunde ställa in materialets värmeledningsförmåga och termiska anisotropiförhållande.
"Det här fyndet var väldigt kontraintuitivt, säger Jun Liu, en biträdande professor i maskin- och rymdteknik vid NC State och medförfattare av ett dokument som beskriver arbetet. "Den konventionella visdomen har varit att införa störningar i vilket material som helst skulle minska det termiska anisotropiförhållandet.
"Men baserat på våra observationer, vi anser att detta tillvägagångssätt för att kontrollera värmeledningsförmåga inte bara skulle gälla andra TMD:er, men till 2D-material mer allmänt, "Säger Liu.
"Vi bestämde oss för att främja vår grundläggande förståelse av 2D-material, och vi har, "Liu tillägger." Men vi lärde oss också något som sannolikt kommer att vara praktiskt användbart för utveckling av teknik som använder sig av 2-D-material. "
