En teoretisk modell som förklarar hur värmeflöden från grafen kan hjälpa till att förbättra utformningen av nanoskalaenheter, säga A*STAR -forskare.

Grafen är en tvådimensionell kolkristall som bara är en atom tjock. Denna starka, elektriskt ledande material undersöks för ett stort antal applikationer, inklusive elektroniska anordningar där grafen läggs ovanpå ett substrat som kiseldioxid. Att använda grafen på detta sätt kan skapa enheter som är mycket mer kompakta än konventionella elektroniska komponenter, men den lilla storleken kommer med en kostnad - elektrisk ström som flyter genom grafen kan generera mycket spillvärme. Om denna värme inte släpps ut i underlaget, det kan påverka enhetens prestanda och livslängd.

Zhun-Yong Ong och kollegor vid A*STAR Institute of High Performance Computing har utvecklat den första teoretiska modellen som exakt förutspår värmeavledningens hastighet. Deras studie utnyttjade tanken att vibrationer i kristallgitteret, kallade fononer, bär det mesta av denna värme över gränsen, och böjningen av grafenarket påverkar hur dessa fononer beter sig.

Forskarna använde sin teori för att beräkna värmeavledning från grafen, och ett besläktat tvådimensionellt material som kallas molybdendisulfid, i två typer av kiseldioxidunderlag, vid temperaturer från -268 till mer än 120 grader Celsius.

På den mer typiska formen av kiseldioxid, en kvadratmeter grafen överför 34,6 megawatt värmeeffekt för varje grad av temperaturökning (34,6 MWK ^-1 m ^-2 ). När ett andra lager kiseldioxid läggs ovanpå grafenarket, det förbättrar dramatiskt värmeöverföringen till underlaget under, till 105 MWK ^-1 m ^-2 . Forskarna såg en liknande trend i molybdendisulfid, och föreslå att det översta lagret ändrar hur grafengitteret vibrerar. Detta gör det lättare för lågfrekventa vibrationer att resa in i underlaget, bär värmeenergi med dem.

"Mer effektiv värmeöverföring är en fördel för att förhindra överhettning i nanoelektronik, "säger Ong." Å andra sidan, Lokal uppvärmning behövs ibland för applikationer som enheter för fasbyte, och därmed kan den snabba spridningen av värme anses vara oönskad. "

Teorin kan hjälpa till att finjustera interaktionerna mellan grafen och andra material, säger Ong:"Denna förståelse kan göra det möjligt för oss att optimera strukturen och materialen vid design av 2D -nanoskalaenheter, för effektivare värmeavledning. "

Ong har nyligen utökat teorin för att redogöra för värmeavledning från mer komplexa 2D -kristaller, och fortsätter att förfina modellen.