Er grafen den bedste varmeleder? Forskere undersøger med fire-fonon-spredning

Grafen, et materiale, der består af et enkelt lag af kulstofatomer, er af mange blevet fejret som "den næste store ting" inden for materialevidenskab. Men ifølge forskere fra Purdue University er dets termiske egenskaber måske ikke så revolutionerende som tidligere antaget.

"Graphene er det første todimensionelle materiale, som mennesker nogensinde har skabt," sagde Xiulin Ruan, professor i maskinteknik. "Det er dybest set et lag kulstof, et atom tykt. Det blev først opdaget i 2004 og vandt Nobelprisen i fysik i 2010. Lige siden da er det blevet undersøgt af mange forskere på grund af dets unikke egenskaber."

For eksempel siges grafen at lede elektricitet bedre end noget andet materiale kendt af videnskaben og er kendt for sin materielle styrke. Forskere i termisk transport var også hurtige til at give den titlen som bedste varmeleder.

"Tidligere var det materiale, der menes at have den højeste varmeledningsevne, diamant," sagde Zherui Han, en Ph.D. elev i Ruans laboratorium. "Det er det materiale, der hurtigst kan overføre mest varme. Men da grafen kom ud, viste almindelige undersøgelser, at det var meget bedre end diamant."

Termisk ledningsevne måles i watt per meter per Kelvin. På denne skala forstås en diamants termiske ledningsevne generelt til at være omkring 2.000. Men da videnskabsmænd begyndte at måle grafens varmeledningsevne, nåede de tidlige estimater over 5.000. Dette fangede naturligvis interessen hos forskere som Ruan, hvis forskning fokuserer på varmeoverførsel.

"Men efterfølgende eksperimentelle målinger og modellering har forfinet grafens varmeledningsevne," sagde Ruan. "Nyere papirer bragte tallet op på omkring 3.000, hvilket stadig er meget bedre end diamant. Men vi fandt noget helt andet."

Ruans team har forudsagt den termiske ledningsevne af grafen ved stuetemperatur til at være 1.300 W/(m K) – ikke kun mindre end diamant, men også mindre end det rå grafitmateriale, som grafen er lavet af.

Deres forskning er blevet offentliggjort i Physical Review B .

Forskellen mellem deres arbejde og tidligere arbejde kommer ned til et fænomen kaldet fire-fonon spredning. Fononer er, hvordan varmeoverførselsforskere beskriver bevægelsen af ​​varme i faste stoffer på et kvantemekanisk niveau. Indtil for nylig kunne forskere kun forstå tre-fononspredning til at forudsige overførsel af varme gennem faste stoffer.

Men i 2016 udviklede Ruans team en generel teori om fire-fonon-spredning, og et år senere kvantificerede de fire-fonon-spredning. Dette førte til, at Ruan modtog den højeste hæder fra International Phononics Society i 2023.

Så hvordan hænger det sammen med grafen? "Graphene er et todimensionelt materiale på kun et atom tykt," sagde Han.

"Tidligere undersøgelser tyder på, at tre-fonon-spredning ville være begrænset af denne to-dimensionalitet, som i teorien gør grafen meget mere termisk ledende end bulkmaterialer. Men fire-fonon-spredning er ikke begrænset af 2D-naturen af ​​grafen; faktisk Effekten er ret stærk. Vores arbejde har vist, at fire-fonon-spredning bliver den førende spredningskanal i grafen over tre-fonon-spredning."

En barriere for denne opdagelse var tilgængeligheden af ​​rå computerkraft. Beregning af denne fire-fonon-spredning krævede en parallel computerstrategi, der i det væsentlige brugte en computerklynge med en terabyte hukommelse. Dette blev opnået på Rosen Center for Advanced Computing ved Purdue University.

I øjeblikket er disse beregninger alle teoretiske. Holdet arbejder sammen med Prof. Li Shi ved University of Texas i Austin, støttet af deres samarbejdende National Science Foundation-bevillinger, for at verificere resultaterne eksperimentelt. Tidligere målinger på grafen har haft store fejlbjælker, som skal reduceres for at verificere deres teori. De planlægger også at forudsige den termiske ledningsevne af grafen af ​​flere lag af atomer, snarere end kun ét.

"Uden eksperimentelle valideringer endnu, ved vi, at samfundet vil være skeptisk over for denne meget ikke-mainstream forudsigelse," sagde Ruan.

"Vi stod over for den samme skepsis i 2017, da vi forudsagde lignende aspekter af borarsenid. Heldigvis blev den forudsigelse bekræftet af tre vigtige eksperimenter et år senere. Siden da er vores fire-fonon spredningsteori blevet understøttet af flere og flere eksperimentelle beviser. og vi håber, at det også vil holde for grafen denne gang. Vi gør vores software til open source, så andre videnskabsmænd kan teste fire-fonon-teorien."

Zherui Han har postet sin fire-fonon varmeledningsløser på GitHub og udgivet et papir, der beskriver softwarens brug. Enhver varmeoverførselsforsker kan bruge softwaren til at udføre lignende forskning.

"Graphene er det første todimensionelle materiale, mange mennesker troede, det var magi," sagde Han. "Det blev antaget at have alle disse overlegne egenskaber:termiske, mekaniske, optiske, elektriske. Som termiske forskere er det vores opgave at fastslå, om den del er sand. Grafen er stadig en god varmeleder, men vores arbejde forudsiger, at det ikke er bedre end diamant."

"Jeg siger altid, at undtagelser er, hvordan videnskaben bevæger sig fremad," sagde Ruan. "Vi er forsigtigt optimistiske med hensyn til vores resultater. Med fire-fonon spredning er det vores håb at levere meget mere nøjagtige teoretiske vurderinger af disse materialer i fremtiden."

Flere oplysninger: Zherui Han et al., Termisk ledningsevne af monolagsgrafen:Konvergent og lavere end diamant, Physical Review B (2023). DOI:10.1103/PhysRevB.108.L121412

Leveret af Purdue University