Holder elektronik afkølet:Fund om modificeret form for grafen kan have indflydelse på styring af varmeafledning

Et University of California, Riverside ingeniørprofessor og et team af forskere har gjort en banebrydende opdagelse med grafen, et materiale, der kunne spille en stor rolle i at forhindre overophedning af bærbare computere og andre elektroniske enheder.

Alexander Balandin, en professor i elektroteknik ved UC Riverside Bourns College of Engineering, og forskere fra University of Texas i Austin, University of Texas i Dallas og Xiamen University i Kina, har vist, at de termiske egenskaber af isotopisk fremstillet grafen er langt bedre end grafen i sin naturlige tilstand.

Forskningsindsatsen blev ledet af professor Rodney S. Ruoff fra UT Austin og Balandin, en tilsvarende forfatter til avisen, "Vermeledningsevne af isotopisk modificeret grafen." Det blev offentliggjort 8. januar online af tidsskriftet Naturmaterialer og vil senere blive vist i den trykte publikation.

Resultaterne bringer grafen-en enkeltatom tyk kulkrystal med unikke egenskaber, inklusive overlegen elektrisk og varmeledningsevne, mekanisk styrke og unik optisk absorption – et skridt nærmere at blive brugt som termisk leder til styring af varmeafledning i alt fra elektronik til solceller til radarer.

"Det vigtige fund er muligheden for en stærk forbedring af termiske ledningsegenskaber af isotopisk ren grafen uden væsentlig ændring af elektriske, optiske og andre fysiske egenskaber, " sagde Balandin. "Isotopisk ren grafen kan blive et glimrende valg til mange praktiske anvendelser, forudsat at prisen på materialet holdes under kontrol."

Han tilføjede:"De eksperimentelle data om varmeledning i isotopisk konstrueret grafen er også afgørende for at udvikle en nøjagtig teori om termisk ledningsevne i grafen og andre todimensionelle krystaller."

Forskningen brugte den optotermiske Raman-metode, en termisk ledningsevne måleteknik udviklet af Balandin. I 2008, Balandin og hans gruppemedlemmer demonstrerede eksperimentelt, at grafen er en fremragende varmeleder. De udviklede også den første detaljerede teori om varmeledning i grafen og relaterede todimensionelle krystaller.

Arbejdet præsenteret i Nature Materials papiret viser, at den termiske ledningsevne af isotopisk konstrueret grafen er stærkt forbedret sammenlignet med grafen i sin naturlige tilstand.

Naturligt forekommende kulstofmaterialer, inklusive grafen, består af to stabile isotoper:omkring 99 procent af 12C (benævnt "kulstof 12") og 1 procent af 13C (benævnt "kulstof 13"). Forskellen mellem isotoper er i atommassen af ​​kulstofatomerne. Fjernelsen af ​​kun omkring 1 procent af kulstof 13, også kaldet isotopisk rensning, modificerer de dynamiske egenskaber af krystalgitre og påvirker deres varmeledningsevne.

Vigtigheden af ​​den nuværende forskning forklares med praktiske behov for materialer med høj varmeledningsevne. Varmefjernelse er blevet et afgørende spørgsmål for fortsatte fremskridt i elektronikindustrien, på grund af øgede niveauer af afledt strøm, efterhånden som enhederne bliver mindre og mindre. Søgningen efter materialer, der leder varme godt, er blevet afgørende for designet af den næste generation af integrerede kredsløb og tredimensionel elektronik. Balandin, som også er stiftende formand for materialevidenskab og ingeniøruddannelse (MS&E) ved UC Riverside, mener, at grafen gradvist vil blive inkorporeret i forskellige enheder.

I første omgang, det vil sandsynligvis blive brugt i nogle nicheapplikationer såsom termiske grænsefladematerialer til chipemballage eller transparente elektroder i solceller eller fleksible displays, han sagde.

Om nogle år, det kunne bruges med silicium i computerchips, for eksempel som sammenkoblingsledninger eller varmespredere. Det har også potentiale til at gavne andre elektroniske applikationer, inklusive analoge højfrekvente transistorer, som bruges i trådløs kommunikation, radar, sikkerhedssystemer og billeddannelse.

Balandin og følgende forskere bidrog til resultaterne i Naturmaterialer papir:

Teamet på UT Austin, som udførte den isotopiske oprensning af grafen, inkluderet Ruoff, Shanshan Chen, en post-doc stipendiat, Weiwei Cai, en tidligere post-doc forsker, som nu er professor ved Xiamen University og Columbia Mishra, en kandidatstuderende.

Holdet på UT Dallas, som udførte molekylær dynamiksimuleringer, der sammenlignede godt med den stærkere termiske forbindelse af den isotopisk konstruerede grafen, inkluderet Kyeongjae Cho, en professor, og Hengji Zhang, kandidatstuderende.