Графен с дефектами применим для охлаждения
 Фрагмент графена с дефектами. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Предыдущие исследования показали, что чистый графен, представляющий собой одноатомный слой углерода с двумерной гексагональной кристаллической решеткой, при комнатной температуре обладает максимальной теплопроводностью среди известных материалов. По этому показателю графен обходит даже алмаз, который ранее считался лучшим проводником тепла. Более того, оказалось, что достаточно высока теплопроводность не только самого материала, но и его контакта с SiO2, что открывает возможность использования графена в качестве охлаждения для компьютерных чипов (на сегодняшний день для этого применяется медь, хотя теплопроводность контакта меди и SiO2 в два раза ниже).
Однако пока получение графена в достаточно больших количествах – мероприятие дорогостоящее. Дешевые способы производства порождают графен, где выделяются отдельные кристаллические зернами или появляются различные линейные дефекты, что, естественно, влияет на тепловой поток в материале. На вопрос о том, какой теплопроводностью обладает подобный поликристаллический «дефектный» графен взялись ответить ученые из University of Illinois (США).
Исследователи получили свои результаты с помощью моделирования процесса переноса тепла на границах дефектов в графене с помощью атомистических инструментов, разработанных в их лаборатории. Согласно их методу, атомы в узлах кристаллической решетки графена взаимодействуют друг с другом так, как будто они связаны между собой пружинами, характеристики которых зависят от расположения атомов в материале. Колебания атомов создают волны тепла (потоки фононов). С помощью анализа самих волн и характера их распространения через кристаллическую решетку, команда вычисляла тепловые свойства «дефектного» графена.
Очевидно, что гексагональная кристаллическая решетка может обладать несколькими видами дефектов, к примеру, включенными пятиугольными, семиугольными или восьмиугольными конструкциями. Согласно проведенному расчету, восьмиугольники из атомов сильнее всего препятствуют тепловому потоку (на 60% больше, чем другие виды дефектов), но остальные оказывают не столь существенное влияние, как считалось ранее. Кроме того, было выяснено, что оптимальная теплопроводность сохраняется, если фрагменты материала имеют размеры порядка 300 – 400 нм. Подробные результаты работы ученых были опубликованы в журнале Applied Physics Letters.
В ближайшем будущем команда планирует заняться исследованием теплопроводности графеновых устройств, в которых фононы распространяются, не испытывая каких-либо столкновений. Естественно, в такой модели тепловой поток будет в значительной степени зависеть от края материала.
Еще один интересный аспект – то, как графен рассеивает тепло в окружающую среду. Ученые считают, что ответ на этот вопрос важен для лучшего понимания и проектирования высокоскоростных транзисторов, где отведение тепла будет играть важную роль.
К слову, свои инструменты моделирования команда планирует применить и к другим двумерным материалам, в частности, нитриду бора.
Также по теме:
- Монослой диселенида молибдена позволит повысить эффективность солнечных батарей
- Как графен превращает свет в электричество
- Композит из графена и углеродных нанотрубок позволяет запасать энергию
- Создан симбиоз графена и углеродных нанотрубок
- Гибкие графеновые транзисторы бьют новые рекорды
Источники: