Forskere finder måde at justere termisk ledningsevne af 2-D materialer

Forskere har fundet en uventet måde at kontrollere den termiske ledningsevne af todimensionelle (2-D) materialer, som vil give elektronikdesignere mulighed for at sprede varme i elektroniske enheder, der bruger disse materialer.

2-D materialer har en lagdelt struktur, hvor hvert lag har stærke bindinger vandret, eller "i flyet, "og svage bindinger mellem lagene, eller "ud af flyet." Disse materialer har unikke elektroniske og kemiske egenskaber, og holder løfte om brug til at skabe fleksible, tynd, letvægts elektroniske enheder.

For mange af disse potentielle anvendelser, det er vigtigt at kunne aflede varmen effektivt. Og det kan være svært. I 2-D materialer, varme ledes anderledes i plan, end den er ude af plan.

For eksempel, i en klasse af 2-D materialer, kaldet TMD'er, varme ledes med 100 watt pr. meter pr. Kelvin (W/mK) i plan, men kun 2 W/mK ud af flyet. Det giver det et "termisk anisotropiforhold" på omkring 50.

For bedre at forstå de termiske ledningsegenskaber af 2-D materialer, et team af forskere fra North Carolina State University, University of Illinois i Urbana-Champaign (UI) og Toyota Research Institute of North America (TRINA) begyndte at eksperimentere med molybdændisulfid (MoS2), som er en TMD.

Forskerne fandt ud af, at ved at introducere lidelse til MoS2, de kunne væsentligt ændre det termiske anisotropiforhold.

Forskerne skabte denne lidelse ved at indføre lithium-ioner mellem lagene af MoS2. Tilstedeværelsen af ​​lithium-ionerne gør to ting samtidigt:det sætter lagene af 2-D-materialet ude af justering med hinanden, og det tvinger MoS2 til at omarrangere strukturen af ​​dets komponentatomer.

Når forholdet mellem lithiumioner og MoS2 nåede 0,34, den termiske ledningsevne i planet var 45 W/mK, og den termiske ledningsevne uden for planet faldt til 0,4 W/mK - hvilket øgede materialets termiske anisotropiforhold fra 50 til mere end 100. Med andre ord, varme havde mere end dobbelt så stor sandsynlighed for at rejse i fly – langs laget, frem for mellem lagene.

Og det var så godt, som det blev. Tilsætning af færre lithiumioner gjorde det termiske anisotropiforhold lavere. Tilføjelse af flere ioner gjorde det også lavere. Men i begge tilfælde forholdet blev påvirket på en forudsigelig måde, hvilket betyder, at forskerne kunne tune materialets termiske ledningsevne og termiske anisotropi-forhold.

"Dette fund var meget kontraintuitivt, " siger Jun Liu, en assisterende professor i maskin- og rumfartsteknik ved NC State og co-korresponderende forfatter til et papir, der beskriver arbejdet. "Den konventionelle visdom har været, at introduktion af uorden i ethvert materiale ville reducere det termiske anisotropiforhold.

"Men baseret på vores observationer, vi føler, at denne tilgang til styring af termisk ledningsevne ikke kun vil gælde for andre TMD'er, men til 2-D materialer mere bredt, " siger Liu.

"Vi satte os for at fremme vores grundlæggende forståelse af 2-D materialer, og vi har, " Liu tilføjer. "Men vi lærte også noget, der sandsynligvis vil være praktisk anvendeligt til udvikling af teknologier, der gør brug af 2-D materialer."