Het grafeen van één atoom dik materiaal behoudt zijn hoge thermische geleidbaarheid wanneer het wordt ondersteund door een substraat, een cruciale stap om het materiaal te laten evolueren van een laboratoriumfenomeen naar een nuttig onderdeel in een reeks nano-elektronische apparaten, onderzoekers rapporteren in het nummer van 9 april van het tijdschrift Science.

Het team van ingenieurs en theoretische fysici van de Universiteit van Texas in Austin, Bostoncollege, en de Franse Commissie voor Atoomenergie rapporteren dat de superdunne laag koolstofatomen - ontleend aan het driedimensionale materiaal grafiet - warmte meer dan twee keer zo efficiënt kan overbrengen als dunne koperfilms en meer dan 50 keer beter dan dunne films van silicium.

Sinds de ontdekking in 2004, grafeen is gezien als een veelbelovend nieuw elektronisch materiaal omdat het superieure elektronenmobiliteit biedt, mechanische sterkte en thermische geleidbaarheid. Deze kenmerken zijn cruciaal naarmate elektronische apparaten steeds kleiner worden, het presenteren van ingenieurs met een fundamenteel probleem om de apparaten koel genoeg te houden om efficiënt te werken.

Het onderzoek bevordert het begrip van grafeen als een veelbelovende kandidaat om warmte weg te trekken van "hot spots" die zich vormen in de hechte ruimtes van apparaten die op micro- en nanoschaal zijn gebouwd. Vanuit een theoretisch standpunt, het team ontwikkelde ook een nieuwe kijk op hoe warmte in grafeen stroomt.

Wanneer geschorst, grafeen heeft een extreem hoge thermische geleidbaarheid van 3, 000 tot 5, 000 watt per meter per Kelvin. Maar voor praktische toepassingen het kippengaasachtige grafeenrooster zou aan een substraat worden bevestigd. Het team ontdekte dat ondersteund grafeen nog steeds een thermische geleidbaarheid heeft van wel 600 watt per meter per Kelvin in de buurt van kamertemperatuur. Dat ver overtreft de thermische geleidbaarheid van koper, ongeveer 250 watt, en silicium, slechts 10 watt, dunne films die momenteel in elektronische apparaten worden gebruikt.

Het verlies aan warmteoverdracht is het resultaat van de interactie van grafeen met het substraat, die interfereert met de trillingsgolven van grafeenatomen wanneer ze tegen het aangrenzende substraat botsen, volgens co-auteur David Broido, een Boston College hoogleraar natuurkunde.

De conclusie werd getrokken met behulp van eerdere theoretische modellen over warmteoverdracht in gesuspendeerd grafeen, zei Broido. Werken met voormalig BC-afgestudeerde student Lucas Lindsay, nu een instructeur aan de Christopher Newport University, en Natalio Mingo van de Franse Commissie voor Atoomenergie, Broido herbekeek het theoretische model dat was bedacht om de prestatie van gesuspendeerd grafeen te verklaren.

"Als theoretici, we staan ​​veel meer los van het apparaat of de technische kant. We zijn meer gefocust op de grondbeginselen die verklaren hoe energie door een bladgrafeen stroomt. We namen ons bestaande model voor gesuspendeerd grafeen en breidden het theoretische model uit om deze interactie te beschrijven die plaatsvindt tussen grafeen en het substraat en de invloed op de beweging van warmte door het materiaal en, uiteindelijk, het is thermische geleidbaarheid."

Naast zijn superieure sterkte, elektronenmobiliteit en thermische geleidbaarheid, grafeen is compatibel met dunne-film siliciumtransistorapparaten, een cruciale eigenschap als het materiaal tegen lage kosten moet worden gebruikt, massaproductie. Grafeen nano-elektronische apparaten hebben het potentieel om minder energie te verbruiken, koeler en betrouwbaarder werken, en sneller werken dan de huidige generatie silicium- en koperapparaten.