Värmeflöde i nanoskala spelar en avgörande roll i många moderna elektroniska och optoelektroniska applikationer, såsom termisk hantering, fotodetektering, termoelektrik och datakommunikation. Tvådimensionella skiktade material kan spela en roll i många av dessa applikationer. Kanske ännu mer lovande är så kallade van der Waals heterostrukturer, som består av olika skiktade tvådimensionella material staplade ovanpå varandra. Dessa staplar kan bestå av material med dramatiskt olika fysikaliska egenskaper, medan gränssnitten mellan dem är ultrarene och atomiskt skarpa.

Forskare från European Graphene Flagship, ledd av ICFO -forskare, nyligen har observerat hur värmetransport sker i van der Waals -stackar, som består av grafen inkapslad av det dielektriska tvådimensionella materialet hexagonal BN (hBN).

I en studie publicerad i Naturnanoteknik med titeln "Värmeöverföring utanför planet i van der Waals-staplar genom elektron-hyperbolisk fononkoppling, "ICFO -forskare, i samarbete med forskare från Nederländerna, Italien, Tyskland, och Storbritannien, har identifierat en mycket överraskande effekt:I stället för att hålla sig inom grafenarket, värmen rinner faktiskt till de omgivande hBN -arken. Denna värmeöverföringsprocess utanför planet sker på en ultrasnabb tidsskala av picosekunder (en miljonedel av en miljonedel av en sekund), och är därför dominerande över konkurrerande (i planet) värmeöverföringsprocesser.

Värmeöverföringsprocessen sker genom heta grafenelektroner (experimentellt genererade av infallande ljus) som kopplas till hyperboliska fononpolaritoner i hBN-arken. Dessa fononpolaritoner sprider sig inom hBN som ljus gör i en optisk fiber, men i det här fallet, för infraröda våglängder och i nanometerskala. Det visar sig att dessa exotiska hyperboliska lägen är mycket effektiva för att transportera värme bort.

Resultaten av detta arbete kan ha långtgående konsekvenser för många applikationer baserat på hBN-inkapslad grafen, ibland kallad nästa generations grafenplattform, på grund av dess överlägsna elektriska egenskaper. Särskilt, det kommer att ge riktning till optoelektronisk enhetsdesign, där dessa värmeflödesprocesser kan utnyttjas noggrant.