Forskning i fononspredning kaster mere lys over grafen som erstatning for silicium

(Phys.org) —Graphene, en et-atom-tyk form af kulstofmaterialet grafit, er blevet hyldet som et vidundermateriale - stærkt, lys, næsten gennemsigtig, og en fremragende leder af elektricitet og varme. Men en række praktiske udfordringer skal overvindes, før det kan dukke op som en erstatning for silicium og andre materialer i mikroprocessorer og næste generations energienheder.

En særlig udfordring vedrører spørgsmålet om, hvordan grafenplader kan bruges i rigtige enheder.

"Når du fremstiller enheder ved hjælp af grafen, du er nødt til at understøtte grafenet på et substrat og gør det faktisk undertrykker den høje termiske ledningsevne af grafen, " sagde Li Shi, en professor i maskinteknik ved University of Texas i Austin, hvis arbejde er delvist finansieret af National Science Foundation (NSF).

Termisk ledningsevne er kritisk i elektronik, især da komponenter krymper til nanoskalaen. Høj varmeledningsevne er en god ting for elektroniske enheder fremstillet af grafen. Det betyder, at enheden kan sprede den varme, den genererer, for at forhindre dannelsen af ​​lokale hot spots. Imidlertid, i tilfælde af grafen, når de nødvendige støttematerialer også bruges, grafen mister noget af den superhøje termiske ledningsevne, der forudsiges for sin idealiserede tilstand, når den er frit ophængt i et vakuum.

I et papir offentliggjort i september 2013 i Proceedings of the National Academy of Sciences , Shi, sammen med kandidatforsker Mir Mohammad Sadeghi og post-doc-stipendiat Insun Jo, designet et eksperiment for at observere virkningerne af termisk ledningsevne, når tykkelsen af ​​grafen understøttet på et amorft glaslag blev øget.

De observerede, at termisk ledningsevne steg, efterhånden som antallet af lag voksede fra et enkelt etatomslag til så tykt som 34 lag. Imidlertid, selv ved 34 lag, den termiske ledningsevne var ikke genoprettet til det punkt, hvor den var så høj som bulkgrafit, som er en fremragende varmeleder.

Disse resultater får Shi og andre til at udforske nye måder at understøtte eller forbinde grafen med den makroskopiske verden, inklusive tredimensionelle indbyrdes forbundne skumstrukturer af grafen og ultratynd grafit, eller brugen af ​​sekskantet bornitrid, som har næsten samme krystalstruktur som grafen.

"Et af vores mål er at bruge grafen og andre lagdelte materialer til at lave fleksible elektroniske enheder, " Shi forklarede. "Og de enheder vil blive lavet på plastikunderlag, som er fleksible, men har også meget lav varmeledningsevne. Når du kører strøm gennem enhederne, mange af dem fejler. Varmen kan ikke bortledes effektivt, så det bliver meget varmt, og det smelter bare underlaget."

Smeltning er ikke det eneste problem. Efterhånden som temperaturerne bliver højere, det fleksible polymersubstrat kan blive et smeltet og gummilignende materiale, der bryder de elektroniske materialer, der er bygget ovenpå, og får små ledende ledninger i elektroniske enheder til let at svigte.

"Generelt, en varm chip er ikke godt for enhederne, " sagde Shi. "Transistorerne vil skifte langsommere og vil kræve mere strøm."

Shi har udforsket de fysiske egenskaber af grafen-baserede materialer i mere end et årti. Han var medforfatter til et papir fra 2001 i Fysiske anmeldelsesbreve der rapporterede den første måling af høj termisk ledningsevne i individuelle kulstofnanorør, en fætter til grafen. Han var også medforfatter til et papir fra 2010 i Videnskab som gav kritisk indsigt i den termiske ledningsevne og termiske transport i enkeltlagsgrafen understøttet på et substrat.

Shi forsøger at besvare grundlæggende spørgsmål om, hvordan fononer - vibrationerne af atomer i faste stoffer - transporterer varme. Fononer er som elektroner eller fotoner (lyspartikler), ved at de bærer varmeenergi. Imidlertid, meget mindre er kendt om fononer, fordi deres virkninger er mindre tydelige på den makroskala, hvor vi lever.

"Denne grundlæggende undersøgelse gjorde det muligt for os at forstå den iboende fysik af spredningen af ​​gitterbølger, " sagde Shi.

Shis eksperimenter lod hans hold udlede, hvordan fononer spredes som en funktion af tykkelsen af ​​grafenlagene, baseret på observationer af, hvordan den termiske ledningsevne varierede med forskelligt antal lag.

For at indsamle disse indsigter, hans hold udførte teoretiske beregninger ved hjælp af Stampede-supercomputeren ved Texas Advanced Computing Center (TACC) ved University of Texas i Austin. Stampede er finansieret af National Science Foundation (NSF) gennem prisen ACI-1134872.

Simuleringerne fik dem til bedre at forstå deres eksperimentelle resultater.

"For virkelig at forstå fysikken, du skal medtage yderligere teoretiske beregninger. Det er derfor, vi bruger supercomputerne hos TACC, " sagde Shi. "Når du laver et eksperiment, du ser en tendens, men uden at lave beregningerne ved du ikke rigtig, hvad det betyder. Kombinationen af ​​de to er meget kraftfuld. Hvis du bare gør det ene uden at gøre det andet, du udvikler måske ikke den nødvendige forståelse."

De fleste af de termiske systemer, der bruges i dag, er baseret på ældre teknologier, ifølge Shi. Kobber og aluminium tjener som kølepladematerialer i computere; smeltede salte og paraffinvoks bruges som lagringsmedium for energi i termiske lagringsanordninger; og at udføre termoelektrisk konvertering til genvinding af spildvarme, vi bruger materialer som vismuttellurid eller blytellurid, der indeholder elementer, der hverken er rigelige i jordskorpen eller miljøvenlige.

"Vi er virkelig begrænset af materialerne, " sagde Shi. "Kan vi finde på mere effektive materialer til at erstatte kobberforbindelser og kobberkøleplader, eller udskifte siliciumtransistorer? Kan vi udvikle termisk stabile isolatorer til applikationer som brandbeskyttelse? Jeg tror om 10 år, nye materialer vil blive opdaget og implementeret for at erstatte disse gamle teknologier."

For nylig, Shi har undersøgt, hvordan flerlagsgrafen kan genvinde noget af den høje varmeledningsevne, der går tabt, når grafen placeres på et glassubstrat, og undersøger også andre krystallinske materialer til at understøtte grafen

Shi og hans team eksperimenterer og modellerer nye dielektriske understøtninger, som bornitrid, som har en krystalstruktur, der kan sammenlignes med grafen. Håbet er, at dens lignende krystalstruktur vil føre til bedre termisk ledningsevne og mindre fononspredning, når de bruges til at understøtte grafen. I en nylig avis i Anvendte fysiske bogstaver , Shi og Steve Cronins team ved University of Southern California rapporterede deres undersøgelse af termisk transport over en grafen/bor-nitrid-grænseflade

Resultaterne tyder på vigtigheden af ​​at forbedre grænsefladekvaliteten for at øge grænsefladens ledningsevne.

En anden linje i Shi's forskning ser på materialer til termisk energilagring. Skriver i december 2013-udgaven af ​​tidsskriftet Energi- og miljøvidenskab , Shis team viste, at ultratynde grafenskum kan bruges til at øge effektkapaciteten af ​​termiske lagringsenheder ved at øge hastigheden, hvormed varme kan oplades og udledes i faseændringsmaterialerne, der bruges til at lagre den termiske energi.

"Den øgede termiske cyklingsstabilitet, og anvendelighed på en bred vifte af faseændringsmaterialer tyder på, at ultratynde grafitskumkompositter er en lovende vej til at nå de høje effektkapacitetsmål for en række termiske lagringsapplikationer, herunder opvarmning og køling af bygninger og køretøjer, solvarme høstning, og termisk styring af elektrokemisk energilagring og elektroniske enheder, sagde Michael Pettes, en professor i maskinteknik ved University of Connecticut og medforfatter til papiret.

"Det er Shis grundlæggende arbejde med materialer i nanoskala, herunder grafen, der har styret designet af skalerbare materialer, som kan drage fordel af nanostrukturering og give muligvis revolutionære samfundsmæssige fordele, sagde Pettes.

Den røde tråd for al denne forskning er udviklingen af ​​en forståelse af, hvordan de grundlæggende energibærere, inklusive elektroner, fotoner, fononer og molekyler, transporteres og kobles til hinanden i materialer.

"Professor Shi har været banebrydende i arbejdet med målinger af fonontransport på nanoskalaen og har foretaget målinger på tværs af en række nanoskalasystemer, " sagde Sumant Acharya, en programmedarbejder i Thermal Transport Processes Program ved NSF. "Han var blandt de første til at rapportere målinger, der viste den vigtige effekt af et substrat på termisk ledningsevne reduktion i grafen."

NSF har også støttet Shi i udviklingen af ​​billige termoelektriske silicidmaterialer med det formål at fremme udviklingen af ​​termoelektrisk-baseret spildvarmegenvinding fra biler.

"Professor Shi er førende inden for varmetransport i nanoskala, og jeg er glad for, at NSF har været i stand til at støtte mange af professor Shis banebrydende forskning, " sagde Acharya.

På trods af en lang historie med at udforske og designe med materialet, Shi hævder ikke, at grafen altid vil være bedre end andre materialer.

"Det har spændende muligheder for ansøgninger, " sagde han. "Og der er stor fysik involveret."