2D-materialer mister lettere varme, når de er indkapslet

En teoretisk model, der forklarer, hvordan varme strømmer fra grafen, kunne hjælpe med at forbedre designet af enheder i nanoskala, siger A*STAR-forskere.

Grafen er en todimensionel kulstofkrystal, kun et atom tyk. denne stærke, elektrisk ledende materiale bliver undersøgt til en bred vifte af applikationer, herunder elektroniske enheder, hvor grafen lægges oven på et substrat såsom silica. Brug af grafen på denne måde kan skabe enheder, der er meget mere kompakte end konventionelle elektroniske komponenter, men den lille størrelse kommer med en omkostning - elektrisk strøm, der flyder gennem grafen, kan generere en masse spildvarme. Hvis denne varme ikke spredes ind i underlaget, det kan påvirke en enheds ydeevne og levetid.

Zhun-Yong Ong og kolleger ved A*STAR Institute of High Performance Computing har udviklet den første teoretiske model, der præcist forudsiger hastigheden af ​​varmeafledning. Deres undersøgelse udnyttede ideen om, at vibrationer i krystalgitteret, kaldet fononer, bære det meste af denne varme over grænsen, og bøjningen af ​​grafenarket påvirker, hvordan disse fononer opfører sig.

Forskerne brugte deres teori til at beregne varmeafledning fra grafen, og et beslægtet todimensionelt materiale kaldet molybdændisulfid, i to typer silica substrat, ved temperaturer fra -268 til mere end 120 grader Celsius.

På den mere typiske form for silica, en kvadratmeter grafen overfører 34,6 megawatt varmeeffekt for hver grad af temperaturstigning (34,6 MWK) ^-1 m ^-2 ). Når et andet lag silica lægges oven på grafenarket, det forbedrer dramatisk varmeoverførslen til underlaget under, til 105 MWK ^-1 m ^-2 . Forskerne så en lignende tendens i molybdændisulfid, og foreslå, at det øverste lag ændrer, hvordan grafengitteret vibrerer. Dette gør det lettere for lavfrekvente vibrationer at bevæge sig ind i underlaget, bærer varmeenergi med sig.

"Mere effektiv varmeoverførsel er en fordel for at forhindre overophedning i nanoelektronik, " siger Ong. "På den anden side, lokaliseret opvarmning er nogle gange nødvendig til applikationer såsom faseskiftehukommelsesenheder, og derfor kan den hurtige spredning af varme anses for uønsket."

Teorien kunne hjælpe med at finjustere interaktionerne mellem grafen og andre materialer, siger Ong:"Denne forståelse kan sætte os i stand til at optimere strukturen og materialerne i design af 2D nanoskalaenheder, for mere effektiv varmeafledning."

Ong har for nylig udvidet teorien til at tage højde for varmeafledning fra mere komplekse 2D-krystaller, og fortsætter med at forfine modellen.