Одна из особых проблем связана с вопросом о том, как листы графена могут быть использованы в реальных устройствах.
«Когда вы производите устройства с использованием графена, вы должны поддерживать графен на подложке, и это фактически подавляет высокую теплопроводность графена», – сказал Ли Ши, профессор машиностроения в Техасском университете в Остине, чья работа частично финансируется Национальным научным фондом (NSF).
Теплопроводность имеет решающее значение в электронике, особенно когда компоненты сжимаются до наноразмеров.
Высокая теплопроводность – это хорошо для электронных устройств, изготовленных из графена. Это означает, что устройство может распространять выделяемое тепло, чтобы предотвратить образование локальных горячих точек. Однако в случае графена, когда также используются необходимые поддерживающие материалы, графен теряет часть сверхвысокой теплопроводности, которая предсказывается для его идеализированного состояния, когда он свободно подвешен в вакууме.
В статье, опубликованной в сентябре 2013 года в Proceedings of the National Academy of Sciences, Ши вместе с аспирантом-исследователем Миром Мохаммадом Садеги и докторантом Инсун Джо разработали эксперимент по наблюдению эффектов теплопроводности, когда толщина графена поддерживаемый на аморфном стекле слой был увеличен.
Они заметили, что теплопроводность увеличивается по мере роста количества слоев от одного одноатомного слоя до 34 слоев. Однако даже при 34 слоях теплопроводность не восстановилась до такой степени, как у объемного графита, который является отличным проводником тепла.
Эти открытия побуждают Ши и других исследовать новые способы поддержки или соединения графена с макроскопическим миром, включая трехмерные взаимосвязанные вспененные структуры графена и ультратонкого графита или использование гексагонального нитрида бора, который имеет почти такую же кристаллическую структуру, что и графен.
«Одна из наших целей – использовать графен и другие слоистые материалы для создания гибких электронных устройств», – пояснил Ши. «И эти устройства будут изготавливаться на пластиковых подложках, которые являются гибкими, но также имеют очень низкую теплопроводность. Когда вы пропускаете ток через устройства, многие из них выходят из строя. Тепло не может эффективно рассеиваться, поэтому оно становится очень горячим и просто плавит основу."
Таяние – не единственная проблема.
При повышении температуры гибкая полимерная подложка может стать расплавленным и похожим на резину материалом, который разрушает электронные материалы, расположенные наверху, и приводит к тому, что крошечные проводящие провода в электронных устройствах легко выходят из строя.
«В общем, горячий чип не годится для устройств», – сказал Ши. "Транзисторы будут переключаться медленнее и потребуют большей мощности."
Ши изучает физические свойства материалов на основе графена более десяти лет. Он был соавтором статьи 2001 года в Physical Review Letters, в которой сообщалось о первом измерении высокой теплопроводности в отдельных углеродных нанотрубках, двоюродных братьях графена.
Он также является соавтором статьи 2010 года в журнале Science, в которой содержится критическое понимание теплопроводности и теплопереноса в однослойном графене, нанесенном на подложку.
Ши пытается ответить на фундаментальные вопросы о том, как фононы – колебания атомов в твердых телах – переносят тепло.
Фононы похожи на электроны или фотоны (легкие частицы) в том, что они несут тепловую энергию. Однако о фононах известно гораздо меньше, потому что их эффекты менее очевидны на макроуровне, в котором мы живем.
«Это фундаментальное исследование позволило нам понять внутреннюю физику рассеяния волн решетки», – сказал Ши.
Эксперименты Ши позволили его команде сделать вывод о том, как рассеиваются фононы в зависимости от толщины слоев графена, на основе наблюдений за изменением теплопроводности в зависимости от количества слоев.
Чтобы собрать эти идеи, его команда провела теоретические расчеты с использованием суперкомпьютера Stampede в Техасском центре передовых вычислений (TACC) Техасского университета в Остине. Stampede финансируется Национальным научным фондом (NSF) через награду ACI-1134872.
Моделирование позволило им лучше понять результаты своих экспериментов.
«Чтобы по-настоящему понять физику, вам нужно включить дополнительные теоретические расчеты. Вот почему мы используем суперкомпьютеры в TACC, – сказал Ши. "Когда вы проводите эксперимент, вы видите тенденцию, но, не выполняя вычислений, вы действительно не понимаете, что это значит.
Комбинация двух очень мощная. Если вы просто будете делать одно, не делая другого, у вас может не развиться необходимое понимание."
По словам Ши, большинство используемых сегодня тепловых систем основаны на устаревших технологиях.
Медь и алюминий служат радиаторами в компьютерах; расплавленные соли и парафиновый воск используются в качестве накопителя энергии в устройствах для хранения тепла; и для выполнения термоэлектрического преобразования для рекуперации отходящего тепла мы используем такие материалы, как теллурид висмута или теллурид свинца, которые содержат элементы, которых нет в изобилии в земной коре и которые не являются экологически безопасными.
«Мы действительно ограничены материалами», – сказал Ши. "Можем ли мы придумать более эффективные материалы для замены медных межсоединений и медных радиаторов или заменить кремниевые транзисторы??
Можем ли мы разработать термостойкие изоляторы для таких применений, как противопожарная защита?? Я думаю, что через 10 лет будут обнаружены и внедрены новые материалы, которые заменят эти устаревшие технологии."
Недавно Ши изучал, как многослойный графен может восстановить часть высокой теплопроводности, которая теряется, когда графен помещается на стеклянную подложку, а также изучает другие кристаллические материалы для поддержки графена
Ши и его команда экспериментируют и моделируют новые диэлектрические подложки, такие как нитрид бора, который имеет кристаллическую структуру, сравнимую с графеном.
Есть надежда, что подобная кристаллическая структура приведет к лучшей теплопроводности и меньшему рассеянию фононов, когда они будут использоваться для поддержки графена. В недавней статье в Applied Physical Letters команда Ши и Стива Кронинов из Университета Южной Калифорнии сообщила о своем исследовании переноса тепла через границу раздела графен / нитрид бора.
Результаты говорят о важности улучшения качества интерфейса для увеличения его проводимости.
Еще одно направление исследований Ши касается материалов для хранения тепловой энергии.
В декабрьском выпуске журнала Energy and Environmental Science за 2013 год команда Ши показала, что ультратонкая пена графена может использоваться для увеличения энергоемкости устройств хранения тепла за счет увеличения скорости зарядки и отвода тепла в используемые материалы с фазовым переходом. хранить тепловую энергию.
«Повышенная устойчивость к термоциклированию и применимость к широкому спектру материалов с фазовым переходом позволяют предположить, что ультратонкие композиты из пенографита являются многообещающим путем для достижения целевых показателей высокой энергоемкости в ряде приложений для аккумулирования тепла, включая отопление зданий и транспортных средств, а также охлаждение, сбор солнечной энергии и тепловое управление электрохимическими накопителями энергии и электронными устройствами ", – сказал Майкл Петтес, профессор машиностроения в Университете Коннектикута и соавтор статьи.
«Это фундаментальная работа Ши, посвященная наноразмерным материалам, включая графен, которые помогли разработать масштабируемые материалы, которые могут получить выгоду от наноструктурирования и обеспечить, возможно, революционные социальные преимущества», – сказал Петтес.
Общей нитью всех этих исследований является развитие понимания того, как основные носители энергии, включая электроны, фотоны, фононы и молекулы, переносятся и связываются друг с другом в материалах.
«Профессор Ши был пионером в работе по измерению переноса фононов в наномасштабе и провел измерения в целом ряде систем наномасштаба», – сказал Сумант Ачарья, сотрудник программы по процессам теплового переноса в NSF. "Он был одним из первых, кто сообщил об измерениях, показывающих важное влияние подложки на снижение теплопроводности графена."
NSF также поддержал Ши в разработке недорогих силицидных термоэлектрических материалов с целью стимулирования разработки систем рекуперации отработанного тепла автомобилей на термоэлектрической основе.
«Профессор Ши является лидером в области переноса тепла в наномасштабе, и я рад, что NSF смог поддержать многие новаторские исследования профессора Ши», – сказал Ачарья.
Несмотря на долгую историю изучения и разработки этого материала, Ши не утверждает, что графен всегда будет превосходить другие материалы.
«У этого есть захватывающие перспективы для приложений», – сказал он. "И здесь отличная физика."