Hurtigt flydende varme i grafen heterostrukturer

Nanoskala varmestrøm spiller en afgørende rolle i mange moderne elektroniske og optoelektroniske applikationer, såsom termisk styring, fotodetektion, termoelektri og datakommunikation. To-dimensionelle lagdelte materialer kunne spille en rolle i mange af disse applikationer. Måske er endnu mere lovende såkaldte van der Waals heterostrukturer, som består af forskellige lagdelt todimensionelle materialer stablet oven på hinanden. Disse stakke kan bestå af materialer med dramatisk forskellige fysiske egenskaber, mens grænsefladerne mellem dem er ultrarene og atomskarpe.

Forskere fra European Graphene Flagship, ledet af ICFO -forskere, for nylig har observeret den måde, hvorpå varmetransport sker i van der Waals stakke, som består af grafen indkapslet af det dielektriske todimensionale materiale hexagonal BN (hBN).

I en undersøgelse offentliggjort i Naturnanoteknologi med titlen "Varmeoverførsel uden for flyet i van der Waals-stakke gennem elektron-hyperbolsk fononkobling, "ICFO -forskere, i samarbejde med forskere fra Holland, Italien, Tyskland, og Det Forenede Kongerige, har identificeret en yderst overraskende effekt:I stedet for at blive inden for grafenarket, varmen strømmer faktisk til de omkringliggende hBN -plader. Denne varmeoverførselsproces uden for flyet sker på en ultrahurtig tidsskala på picosekunder (en milliontedel af en milliontedel af et sekund), og er derfor dominerende over konkurrerende (in-plane) varmeoverførselsprocesser.

Varmeoverførselsprocessen sker gennem varme grafenelektroner (eksperimentelt genereret af indfaldende lys), der kobles til hyperbolske fononpolaritoner i hBN-pladerne. Disse fonon-polaritoner formerer sig inden for hBN som lys gør i en optisk fiber, men i dette tilfælde, for infrarøde bølgelængder og i nanometerskalaen. Det viser sig, at disse eksotiske hyperboliske tilstande er meget effektive til at transportere varme væk.

Resultaterne af dette arbejde kan have vidtrækkende konsekvenser for mange applikationer baseret på hBN-indkapslet grafen, undertiden omtalt som næste generations grafenplatform, på grund af dets overlegne elektriske egenskaber. I særdeleshed, det vil give retning til optoelektronisk enhedsdesign, hvor disse varmestrømningsprocesser kan udnyttes grundigt.