Graphene varmeoverførselsgåde opklaret

Forskere har løst den langvarige gåde om, hvordan grænsen mellem grafenkorn påvirker varmeledningsevnen i tynde film af mirakelstoffet – hvilket bringer udviklere et skridt tættere på at være i stand til at konstruere film i en skala, der er nyttig til afkøling af mikroelektroniske enheder og hundredvis af andre nanoteknologiske applikationer.

Studiet, af forskere ved University of Illinois i Chicago, University of Massachusetts-Amherst og Boise State University, udgives online i Nano bogstaver .

Siden dens opdagelse, grafen - et enkelt lag af kulstofatomer forbundet i et kyllingetrådsmønster - har tiltrukket sig intens interesse for dets fænomenale evne til at lede varme og elektricitet. Næsten hver nanoteknisk enhed kunne drage fordel af grafens ekstraordinære evne til at sprede varme og optimere elektronisk funktion, siger Poya Yasaei, UIC kandidatstuderende i maskin- og industriteknik og førsteforfatter på papiret.

På to år, tværfaglig undersøgelse, forskerne udviklede en teknik til at måle varmeoverførslen på tværs af en enkelt korngrænse - og blev overraskede over at finde ud af, at det var en størrelsesorden - hele 10 gange - lavere end den teoretisk forudsagte værdi. Derefter udtænkte de computermodeller, der kan forklare de overraskende observationer fra atomniveau til enhedsniveau.

Grafenfilm til nanotekniske applikationer består af mange små grafenkrystaller, siger Amin Salehi-Khojin, UIC assisterende professor i maskin- og industriteknik og hovedefterforsker på undersøgelsen. Produktion af film, der er store nok til praktisk brug, introducerer fejl ved grænserne mellem krystallerne, der udgør filmen.

Salehi-Khojins team udviklede et fint afstemt eksperimentelt system, der lægger en grafenfilm ned på en siliciumnitratmembran, der kun er fire milliontedele af en tomme tyk og kan måle overførslen af ​​varme fra én enkelt grafenkrystal til en anden. Systemet er følsomt over for selv de mindste forstyrrelser, såsom en korngrænse på nanometerskala, siger medforfatter Reza Hantehzadeh, en tidligere UIC-kandidatstuderende, der nu arbejder hos Intel.

Når to krystaller står pænt på linje, varmeoverførsel sker præcis som forudsagt af teori. Men hvis de to krystaller har forkert justerede kanter, varmeoverførslen er 10 gange mindre.

For at tage højde for forskellen i størrelsesordenen, et team ledet af Fatemeh Khalili-Araghi, UIC assisterende professor i fysik og co-principal investigator på papiret, udtænkt en computersimulering af varmeoverførsel mellem korngrænser på atomniveau.

Khalili-Araghis gruppe fandt ud af, at når computeren "byggede" korngrænser med forskellige uoverensstemmelsesvinkler, korngrænsen var ikke bare en streg, det var et område med uordnede atomer. Tilstedeværelsen af ​​en uordnet region påvirkede varmeoverførselshastigheden signifikant i deres computermodel og kan forklare de eksperimentelle værdier.

"Med større uoverensstemmende vinkler, denne uordnede region kan være endnu bredere eller mere uorden, " hun sagde.

For realistisk at simulere uoverensstemmende korngrænser og naturlig varmeoverførsel, det var nødvendigt at modellere syntesen af ​​et stort område af grafenfilm, med korn, der vokser og samler sig - en meget kompleks simulering, Khalili-Araghi sagde, som krævede den "enorme computerkraft" fra UIC's High Performance Computing Cluster.

"Med vores simulering kan vi se præcis, hvad der foregår på atomniveau, " sagde medforfatter Arman Fathizadeh, UIC postdoc forskningsassistent i fysik. "Nu kan vi forklare flere faktorer - formen og størrelsen af ​​korngrænserne, og effekten af ​​substratet."