Er grafen den bedste varmeleder? Forskere undersøger med fire-fonon-spredning

Grafen, et enkelt-atom-tykt ark af kulstofatomer, har en enestående termisk ledningsevne, hvilket gør det til et lovende materiale til forskellige anvendelser. Imidlertid er dens varmeledningsmekanismer stadig ikke fuldt ud forstået. Nylige undersøgelser tyder på, at fire-fonon-spredning spiller en væsentlig rolle i at begrænse grafens varmeledningsevne ved høje temperaturer.

For at undersøge dette yderligere gennemførte forskere en detaljeret teoretisk undersøgelse af fire-fononspredning i grafen. De udviklede en teoretisk ramme baseret på Boltzmann-transportligningen og inkorporerede forskellige spredningsmekanismer, herunder fire-fononspredning, Umklapp-spredning og grænsespredning.

Deres resultater afslørede, at fire-fononspredning bliver den dominerende varmetransportmekanisme i grafen ved temperaturer over 100 Kelvin. Denne spredningsproces involverer vekselvirkningen mellem fire fononer, hvor to fononer smelter sammen og danner et fonon med højere energi, mens de to andre fononer transporterer den overskydende energi væk.

Forskerne fandt ud af, at fire-fonon-spredningshastigheden stiger hurtigt med temperaturen, hvilket fører til en betydelig reduktion i grafens varmeledningsevne. Dette forklarer, hvorfor grafens varmeledningsevne falder ved højere temperaturer, i modsætning til de fleste andre materialers opførsel.

Undersøgelsen fremhævede også vigtigheden af ​​at overveje hele spektret af spredningsmekanismer for nøjagtigt at forudsige grafens varmeledningsevne. Ved at inkorporere fire-fonon-spredning sammen med andre spredningsprocesser opnåede forskerne fremragende overensstemmelse med eksperimentelle målinger.

Deres resultater bidrager til en dybere forståelse af varmeledningsmekanismerne i grafen og giver værdifuld indsigt til optimering af grafenbaserede materialer til termiske styringsapplikationer.

Selvom grafen måske ikke er den absolut bedste varmeleder, gør dets exceptionelle varmeledningsevne, sammen med dets andre bemærkelsesværdige egenskaber, det til et yderst eftertragtet materiale til adskillige teknologiske anvendelser, såsom elektronik, energilagring og termiske styringssystemer.