Phonon-hydrodynamik og termisk ledningsevne ved ultrahøj stuetemperatur i tynd grafit

Forskellige former for kulstof eller allotroper, herunder grafen og diamant, er blandt de bedste varmeledere. I en nylig rapport om Videnskab , Yo Machida og et forskerhold i afdelingen for fysik og laboratoriet for fysik og materialer i Tokyo og Frankrig overvåger udviklingen af ​​varmeledningsevne i tynd grafit. Ejendommen udviklede sig som en funktion af temperatur og tykkelse for at afsløre en intim forbindelse mellem høj ledningsevne, tykkelse og fonon (atomvibrationer observeret som akustiske bølger) hydrodynamik. De registrerede den termiske ledningsevne (k) af grafit (8,5 µm tykkelse) til at være 4300 Watt pr. Meter-kelvin under stuetemperatur. Værdien var langt over værdien for diamant og lidt højere end isotopisk renset grafen.

Opvarmningen forbedrede den termiske diffusivitet over et bredt temperaturområde for at understøtte delvist hydrodynamisk fononstrøm. Den observerede stigning i varmeledningsevne med faldende tykkelse indikerede en sammenhæng mellem phonons momentum uden for planet og brøkdelen af ​​momentum-afslappende kollisioner. Forskerne antyder, at disse observationer vedrører ekstrem fononspredningsanisotropi i grafit.

Formering af vibrationstilstande i krystalgitteret kendt som fononer kan tillade varme at rejse inden i isolatorer. Under dette transportfænomen, quasiparticles kan miste deres momentum på grund af kollisioner langs deres bane. Forskere havde foreslået, at en overflod af momentumbevarende kollisioner mellem bærere kan resultere i den hydrodynamiske strøm af fononer i isolatorer og elektroner i metaller. Hydrodynamiske regimer for elektroner og fononer har derfor fået fornyet opmærksomhed for at kvantificere kvasipartikelviskositet.

I modsætning til partikler i en ideel gas af molekyler, phonon -momentum bevares ikke ved alle sammenstød. For eksempel, når spredning mellem to fononer producerer en bølgevektor, der overstiger enhedsvektoren for det gensidige gitter, overskydende momentum går tabt til det underliggende gitter. Fysikere definerer sådanne fænomener som Umklapp (U) spredningshændelser (U -begivenheder), da de kræver tilstrækkeligt store bølgevektorer. Afkøling kan reducere den typiske bølgelængde for termisk ophidsede fononer for de fleste kollisioner mellem fononer for at bevare momentum og blive til normale spredningsbegivenheder (N -hændelser).

N -hændelsernes dominans (sammenlignet med U -hændelser) over et bredt temperaturområde i grafen tillod forskere at foreslå, at fononhydrodynamik kan observeres ved temperaturer uden for det kryogene område. Mens varmetransportmålinger er udfordrende at studere i grafen ved hjælp af standard fire-probe steady-state teknikker, fysikere fandt bevis for anden lyd; en manifestation af fononhydrodynamik, ved temperaturer over 100 K i grafit - i overensstemmelse med teoretiske forventninger. Strukturelt, det todimensionale (2-D) grafitgitter indeholdt stærkt mellemlagssp ² kovalente bindinger kombineret med svage intralag van der Waals bindinger. Materialets koblingsstyrke og dens resulterende dikotomi gjorde grafit let spaltelig til enkeltlags grafenform. Arten af ​​grafitbinding skabte også to forskellige temperaturer for atomvibrationer i flyet og uden for flyet.

Machida et al. givet ny indsigt via en tykkelsesafhængig undersøgelse af det samme materiale. Holdet målte in-plane varmeledningsevne (k) af kommercielt tilgængelige meget orienterede pyrolytisk grafit (HOPG) prøver skrællet fra en tyk moderprøve under højt vakuum. Forskerne fandt identisk k -adfærd for prøver med en tykkelse, der varierer fra 8,5 um til 580 um under 20 K. Ved temperaturer over 20 K, de observerede en konstant tykkelsesudvikling for k med stigende temperatur. Når de sammenlignede temperaturafhængigheden af ​​k i den tykkeste prøve (580 µm) med den målte specifikke varme, de fandt ud af, at k toppede omkring 100 K, ligner tidligere målinger. Den observerede adfærd var ikke, imidlertid, typisk i de fleste rigtige faste stoffer på grund af ulige fordeling af fononvægte. Forskerne forventer, at den usædvanlige adfærd, der er registreret i dette arbejde, har skjult Poiseuille -regimet (flow drevet af en trykgradient langs en kanals længde); normalt forbundet med hurtigere end kubisk varmeledningsevne i materialet.

Teamet undersøgte nøje den parallelle udvikling af varmeledningsevne og specifik varme for at afsløre Poiseuille -regimet med udviklende k. De opnåede et fonon -hydrodynamisk billede, der tydeligt fortolkede denne funktion - f.eks. opvarmning forbedret momentumudveksling mellem fononer, da brøkdelen af ​​kollisioner, der bevarede momentum, steg. Elektronbidraget var også ubetydeligt lille i temperaturintervallet af interesse. Da startprøver af HOPG var af en gennemsnitlig prøvekvalitet, arbejdet understøtter også muligheden for, at fononhydrodynamik kan forekomme uden isotrop renhed.

Med nedsat prøvetykkelse, holdet målte en øget k. Udtyndingen forårsagede forstærket ikke-monoton adfærd af termisk diffusivitet i forhold til det hydrodynamiske regime, og forskerne observerede den anden lyd af grafit ved 100 K. afhængigheden af ​​tykkelsen forsvandt under 10 K, da phonon middelværdien fri vej indstillet af den gennemsnitlige krystallitstørrelse ikke var afhængig af tykkelse. Forskere underholdt muligheden for den observerede tykkelsesuafhængige, lavtemperatur varmeledningsevne til at stamme via iboende spredning af fononer med mobile elektroner.

Den registrerede in-plane varmeledningsevne for den 8,5 µm tykke grafitprøve var ~ 4300 W/m · K, som oversteg værdien for en isotopisk ren prøve af grafen. Da teamet reducerede tykkelsen med to størrelsesordener ved stuetemperatur, observerede de en femdobling i k (varmeledningsevne). Resultaterne viste, at loftet var højere end tidligere forventet, og tyndere prøver med større formatforhold kunne vise endnu større ledningsevne.

Mens tidligere undersøgelser havde forudsagt et robust hydrodynamisk regime i grafen og observeret dets persistens i grafit, ingen havde hidtil undersøgt spørgsmålet om tykkelsesafhængighed. Machida et al. undersøgte derfor yderligere forekomsten af ​​U- og N -kollisioner for en given fononspredning af grafit, at forstå den observerede oprindelse af varmeledningsevne. De viste en reduktion i den relative vægt af U -kollisioner inden for tyndere prøver for at forlænge det hydrodynamiske vindue og forbedre termisk ledningsevne. Forskerne kunne reducere tykkelsen ved at erstatte en brøkdel af U -kollisioner med spejlende grænserefleksion, at begrænse nedbrydning af varmestrømmen. De foreslår også alvorlige teoretiske beregninger for at forklare de observerede fund.

© 2020 Science X Network