Hvide grafenstrukturer kan tage varmen

Tredimensionelle strukturer af bornitrid kan være de rigtige ting til at holde små elektronik cool, ifølge forskere ved Rice University.

Risforskerne Rouzbeh Shahsavari og Navid Sakhavand har afsluttet den første teoretiske analyse af, hvordan 3-D bornitrid kan bruges som et afstembart materiale til at kontrollere varmestrømmen i sådanne enheder.

Deres arbejde vises i denne måned i tidsskriftet American Chemical Society Anvendte materialer og grænseflader .

I sin todimensionelle form, sekskantet bornitrid (h-BN), alias hvid grafen, ligner den atomtykke form af kulstof kendt som grafen. En velundersøgt forskel er, at h-BN er en naturlig isolator, hvor perfekt grafen ikke udgør nogen barriere for elektricitet.

Men ligesom grafen, h-BN er en god varmeleder, som kan kvantificeres i form af fononer. (Teknisk set, en fonon er én del - en "kvasipartikel" - i en kollektiv excitation af atomer.) Brugen af ​​bornitrid til at kontrollere varmestrømmen syntes værd at se nærmere på, sagde Shahsavari.

"Typisk i al elektronik, det er meget ønsket at få varme ud af systemet så hurtigt og effektivt som muligt, " sagde han. "En af ulemperne ved elektronik, især når du har lagdelte materialer på et underlag, er, at varmen bevæger sig meget hurtigt i én retning, langs et ledende plan, men ikke så godt fra lag til lag. Flere stablede grafenlag er et godt eksempel på dette."

Varme bevæger sig ballistisk hen over flade planer af bornitrid, også, men rissimuleringerne viste, at 3-D strukturer af h-BN-planer forbundet med bornitrid-nanorør ville være i stand til at flytte fononer i alle retninger, uanset om det er i fly eller på tværs af fly, sagde Shahsavari.

Forskerne beregnede, hvordan fononer ville flyde hen over fire sådanne strukturer med nanorør af forskellig længde og tæthed. De fandt, at krydsene mellem søjler og fly fungerede som gule trafiklys, ikke stopper, men betydeligt bremse strømmen af ​​fononer fra lag til lag, sagde Shahsavari. Både længden og tætheden af ​​søjlerne havde en effekt på varmestrømmen:flere og/eller kortere søjler bremsede ledning, mens længere søjler præsenterede færre barrierer og dermed fremskyndede tingene.

Mens forskere allerede har lavet grafen/carbon nanorør-forbindelser, Shahsavari mente, at sådanne kryds for bornitridmaterialer kunne være lige så lovende. "I betragtning af bornitrids isolerende egenskaber, de kan muliggøre og supplere skabelsen af ​​3-D, grafen-baseret nanoelektronik.

"Denne type 3-D termisk styringssystem kan åbne muligheder for termiske kontakter, eller termiske ensrettere, hvor varmen, der strømmer i én retning, kan være anderledes end den modsatte retning, " sagde Shahsavari. "Dette kan gøres ved at ændre formen på materialet, eller at ændre dens masse – siger den ene side er tungere end den anden – for at skabe en switch. Varmen vil altid foretrække at gå én vej, men i den modsatte retning ville det være langsommere."