Чистый графен гораздо лучше проводит тепло
 Схематическое изображение двумерной структуры графена. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Графен представляет собой двумерный слой атомов углерода, образующих гексагональную кристаллическую решетку. Часто на графен ссылаются, как на возможного кандидата для замены кремния в электронных материалах и устройствах будущего. Повышенное внимание к этому материалу объясняется уникальными электронными и механическими свойствами одноатомной плоскости. Например, графен отличается чрезвычайно высокой электропроводностью. Кроме того, материал обладает большой внутренней теплопроводностью.
Поскольку электронные устройства продолжают уменьшаться в размерах, локальное охлаждение (ограничения которого на данный момент сдерживают прогрессирующее уменьшение устройств) становится все более важным. Проблемы с излишним выделением тепла особенно ярко заметны на примере кремния. Таким образом, для дальнейшего развития направления необходимо найти материалы с большей теплопроводностью, чем используется сегодня.
Природные углеродные материалы, в том числе графен, состоят из смеси двух стабильных изотопов: около 99% углерода-12 и порядка 1% углерода-13. Разница между изотопами заключается в присутствии дополнительного нейтрона в ядре углерода-13. В своей последней работе две группы ученых из University of Texas и University of California Riverside (США) показали, что удаление углерода-13 из кристаллической решетки «нормального» (природного) графена сильно меняет его структуру и значительно увеличивает теплопроводность.
По мнению ученых, их результат будет способствовать развитию теории теплопроводности в графене и других известных двумерных структурах. Измерение теплопроводности графена с различным изотопным составом поможет им понять, как атомы с различной массой рассеивают фононы (колебания кристаллической решетки, ответственные за перенос тепла). К слову, они считают, что такое «изотопное» рассеяние гораздо легче будет описать теоретически, чем, например, рассеяние, вызванное присутствием примесных атомов, отличающихся не только по массе, но и по размеру, а также другим параметрам.
Используя вариации комбинационных техник исследования, ученые обнаружили, что теплопроводность «чистого» графена, состоящего только из атомов углерода-12 (и лишь 0,01% примеси углерода-13) была выше 4000 Вт/м К при температуре 320 градусов по шкале Кельвина. Это почти вдвое выше, чем теплопроводность листов графена, состоящего наполовину из изотопов углерода-12, а на вторую половину – из изотопов углерода-13. Для сравнения, медь, использующаяся на сегодняшний день для охлаждения компьютерных чипов, имеет теплопроводность 400 Вт/м К.
Полученный учеными результат означает, что теперь «чистый» графен может рассматриваться как весьма перспективный материал в некоторых тепловых приложениях.
Параллельно с публикацией исследований американских ученых в журнале Nature Materials, группа китайских специалистов из Xiamen University сообщила о скорой готовности опубликовать результаты измерения теплопроводности графена с различным изотопным составом при температуре ниже комнатной.
Также по теме:
- Напечатанные устройства на базе графена
- Электроны заняли свои места в конструкции квантового компьютера
Источники: