Теплопередача в графене больше, чем ожидалось
 Распределение температуры в листе графена. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Начиная с момента открытия в 2004 году, новая структурная модификация углерода, графен, не перестает удивлять ученых своими уникальными физико-химическими свойствами. Уже описанные особенности сделали графен одним из наиболее перспективных материалов для развития электроники будущего, в частности, некоторые ученые полагают, что графен мог бы стать отличной заменой кремнию.
На сегодняшний день графен – самый тонкий из известных материалов. Он состоит всего лишь из одного слоя атомов углерода, связанных в гексагональную двумерную кристаллическую решетку. Благодаря особенностям кристаллической структуры, электроны могут практически беспрепятственно перемещаться внутри этой решетки с достаточно большими скоростями, что позволяет им вести себя как релятивистские частицы с нулевой массой покоя и определяет большую часть неожиданных свойств графена. В частности, эта особенность позволяет рассматривать графен как средство создания самых быстрых транзисторов, во много раз обходящих по своим характеристикам известные достижения кремниевой электроники.
Однако, до применения графена на практике еще далеко. Помимо удивительных свойств у «двумерного» материала существует и целый ряд проблем, которые еще необходимо преодолеть. К примеру, в ходе экспериментов с простейшими электронными компонентами из графена, исследователи из лаборатории IBM обнаружили, что этот материал вызывает значительный нагрев подложки, если речь идет о работе с токами насыщения. Известно, что для эффективного построения электронных устройств из графена необходимо работать именно с такими значениями тока, поэтому обнаруженные тепловые эффекты могут стать существенным препятствием для развития графеновой электроники.
Данные были получены специалистами IBM при помощи измерений распределения температуры в графеновых электронных компонентах, «работающих» в качестве звена электрической цепи. Исследования были выполнены совмещением оптической микроскопии и измерений электронного транспорта.
В рамках своих экспериментов исследователи IBM обнаружили, что большая часть теплового потока формируется на границе двумерного листа углерода и кварцевого основания, уходя позже в подложку. Они предположили, что процесс обусловлен передачей части энергии свободных электронов в графене напрямую поверхности кварцевого основания (а точнее, атомам на этой поверхности), вызывая колебания этих атомов. С одной стороны, свободные электроны теряют свою энергию, а с другой - подобное взаимодействие приводит к рождению квазичастиц колебаний атомов в кристаллической решетке – фононов.
Подобный эффект известен и для кремниевых транзисторов, однако, там он имеет меньшие масштабы, т.к. в кремнии большая часть свободных электронов (отвечающих за проводимость) сосредоточена на некотором удалении от поверхности подложки. При этом эффективность передачи энергии между электронами проводимости и фононами поверхности основания в значительной степени зависит от этого расстояния.
Выполненные исследования показали, что в процессе развития графеновой электроники на первый план выходит совсем другой комплекс проблем, нежели в случае с кремнием: «паразитное» взаимодействие свободных электронов с поверхностью подложки. Будущие разработки исследовательской группы, безусловно, будут направлены на поиск наиболее подходящих подложек, позволяющих снизить выявленный эффект.
Также по теме:
Источники: