Nano-skorstene kan køle kredsløb

Nogle få nanoskalajusteringer kan være alt, der kræves for at få grafen-nanorør-forbindelser til at udmærke sig ved at overføre varme, ifølge Rice University-forskere.

Den teoretiske fysiker Boris Yakobsons rislaboratorium fandt ud af, at anbringelse af en keglelignende "skorsten" mellem grafen og nanorør næsten eliminerer en barriere, der blokerer for varmen i at undslippe.

Forskningen vises i American Chemical Society's Journal of Physical Chemistry C .

Varme overføres gennem fononer, kvasipartikelbølger, der også transmitterer lyd. Risteorien tilbyder en strategi til at kanalisere skadelig varme væk fra næste generations nanoelektronik.

Både grafen og kulstof nanorør består af seks-atom ringe, som skaber et hønsenet udseende, og begge udmærker sig ved hurtig overførsel af elektricitet og fononer.

Men når et nanorør vokser fra grafen, atomer letter vendingen ved i stedet at danne sekskantede (syv-leddet) ringe. Forskere har fastslået, at skove af nanorør dyrket af grafen er fremragende til at lagre brint til energianvendelser, men i elektronik, sekskanterne spreder fononer og hindrer varmeudslip gennem søjlerne.

Rice-forskerne opdagede gennem computersimuleringer, at fjernelse af atomer her og der fra den todimensionelle grafenbase ville tvinge en kegle til at dannes mellem grafenen og nanorøret. De geometriske egenskaber (alias topologi) af grafen-til-kegle- og kegle-til-nanorør-overgangene kræver det samme samlede antal syvkanter, men de er mere sparsomme og efterlader en fri bane af sekskanter til rådighed, så varme kan løbe op gennem skorstenen.

"Vores interesse i at fremme nye applikationer til lavdimensionelle kulstof-fullerener, nanorør og grafen - er bred, " sagde Yakobson. "En måde er at bruge dem som byggeklodser til at fylde tredimensionelle rum med forskellige designs, skabe anisotropisk, uensartede stilladser med egenskaber, som ingen af ​​de nuværende bulkmaterialer har. I dette tilfælde, vi studerede en kombination af nanorør og grafen, forbundet med kegler, motiveret af at se sådanne former opnået i vores kollegers eksperimentelle laboratorier."

Forskerne testede fononledning gennem simuleringer af fritstående nanorør, søjlegrafen og nano-skorstene med en kegleradius på enten 20 eller 40 ångstrøm. Den søjleformede grafen var 20 procent mindre ledende end almindelige nanorør. 20-angstrøm nano-skorstene var lige så ledende som almindelige nanorør, mens 40-angstrøms kegler var 20 procent bedre end nanorørene.

"Justerbarheden af ​​sådanne strukturer er praktisk talt ubegrænset, udspringer af de store kombinatoriske muligheder for at arrangere de elementære moduler, " sagde Alex Kutana, en risforsker og medforfatter til undersøgelsen. "Den egentlige udfordring er at finde de mest nyttige strukturer givet et stort antal muligheder og derefter lave dem i laboratoriet pålideligt.

"I den foreliggende sag, finjusteringsparametrene kunne være kegleformer og radier, nanorørafstand, længder og diametre. Interessant nok, nano-skorstene fungerer også som termiske dioder, med varme, der flyder hurtigere i den ene retning end den anden, " han sagde.

Ris kandidatstuderende Ziang Zhang er hovedforfatter af papiret. Ajit Roy, en ledende materialeforskningsingeniør ved Air Force Research Laboratory i Dayton, Ohio, er medforfatter. Yakobson er Karl F. Hasselmann professor i materialevidenskab og nanoteknik og professor i kemi.

Air Force Office of Scientific Research og dets multidisciplinære universitetsforskningsinitiativ støttede forskningen. Beregninger blev udført på Rice's National Science Foundation-støttede DAVinCI supercomputer administreret af Center for Research Computing, indkøbt i samarbejde med Ken Kennedy Institute for Information Technology.