Een universiteit van Californië, Riverside engineering professor en een team van onderzoekers hebben een baanbrekende ontdekking gedaan met grafeen, een materiaal dat een belangrijke rol kan spelen bij het voorkomen dat laptops en andere elektronische apparaten oververhit raken.

Alexander Balandin, een professor in elektrotechniek aan het UC Riverside Bourns College of Engineering, en onderzoekers van de Universiteit van Texas in Austin, De Universiteit van Texas in Dallas en Xiamen University in China, hebben aangetoond dat de thermische eigenschappen van isotopisch gemanipuleerd grafeen veel beter zijn dan die van grafeen in zijn natuurlijke staat.

De onderzoeksinspanningen werden geleid door de professor Rodney S. Ruoff van UT Austin en Balandin, een corresponderende auteur voor het papier, "Thermische geleidbaarheid van isotopisch gemodificeerd grafeen." Het werd op 8 januari online gepubliceerd door het tijdschrift Natuurmaterialen en zal later in de gedrukte publicatie verschijnen.

De resultaten brengen grafeen - een enkelvoudig dik koolstofkristal met unieke eigenschappen, inclusief superieure elektrische en warmtegeleiding, mechanische sterkte en unieke optische absorptie - een stap dichter bij het gebruik als warmtegeleider voor het beheer van warmteafvoer in alles, van elektronica tot fotovoltaïsche zonnecellen tot radars.

"De belangrijke bevinding is de mogelijkheid van een sterke verbetering van de thermische geleidingseigenschappen van isotopisch zuiver grafeen zonder substantiële wijziging van elektrische, optische en andere fysieke eigenschappen, Balandin zei. "Isotopisch zuiver grafeen kan een uitstekende keuze worden voor veel praktische toepassingen, op voorwaarde dat de kosten van het materiaal onder controle worden gehouden."

Hij voegde eraan toe:"De experimentele gegevens over warmtegeleiding in isotopisch geconstrueerd grafeen zijn ook van cruciaal belang voor het ontwikkelen van een nauwkeurige theorie van thermische geleidbaarheid in grafeen en andere tweedimensionale kristallen."

Het onderzoek maakte gebruik van de optothermische Raman-methode, een door Balandin ontwikkelde meettechniek voor thermische geleidbaarheid. In 2008, Balandin en zijn groepsleden hebben experimenteel aangetoond dat grafeen een uitstekende warmtegeleider is. Ze ontwikkelden ook de eerste gedetailleerde theorie van warmtegeleiding in grafeen en gerelateerde tweedimensionale kristallen.

Het werk gepresenteerd in de Nature Materials-paper laat zien dat de thermische geleidbaarheid van isotopisch gemanipuleerd grafeen sterk verbeterd is in vergelijking met grafeen in zijn natuurlijke staat.

Natuurlijk voorkomende koolstofmaterialen, inclusief grafeen, bestaan ​​uit twee stabiele isotopen:ongeveer 99 procent van 12C (aangeduid als "koolstof 12") en 1 procent van 13C (aangeduid als "koolstof 13"). Het verschil tussen isotopen zit in de atomaire massa van de koolstofatomen. De verwijdering van slechts ongeveer 1 procent koolstof 13, ook wel isotopenzuivering genoemd, wijzigt de dynamische eigenschappen van kristalroosters en beïnvloedt hun thermische geleidbaarheid.

Het belang van het huidige onderzoek wordt verklaard door de praktische behoefte aan materialen met een hoge thermische geleidbaarheid. Warmteafvoer is een cruciale kwestie geworden voor voortdurende vooruitgang in de elektronica-industrie, als gevolg van verhoogde niveaus van gedissipeerd vermogen naarmate de apparaten kleiner en kleiner worden. De zoektocht naar materialen die warmte goed geleiden is essentieel geworden voor het ontwerp van de volgende generatie geïntegreerde schakelingen en driedimensionale elektronica. Balandin, die ook oprichter is van het Material Science and Engineering (MS&E)-programma aan UC Riverside, gelooft dat grafeen geleidelijk in verschillende apparaten zal worden opgenomen.

aanvankelijk, het zal waarschijnlijk worden gebruikt in sommige nichetoepassingen, zoals thermische interfacematerialen voor chipverpakkingen of transparante elektroden in fotovoltaïsche zonnecellen of flexibele displays, hij zei.

In een paar jaar, het kan worden gebruikt met silicium in computerchips, bijvoorbeeld als verbindingsbedrading of warmteverspreiders. Het heeft ook het potentieel om andere elektronische toepassingen ten goede te komen, inclusief analoge hoogfrequente transistors, die worden gebruikt in draadloze communicatie, radar, beveiligingssystemen en beeldvorming.

Balandin en de volgende onderzoekers hebben bijgedragen aan de bevindingen in de Natuurmaterialen papier:

Het team van UT Austin, die de isotopische zuivering van grafeen uitvoerde, inclusief Ruoff, Shanshan Chen, een postdoctoraal onderzoeker, Weiwei Cai, een voormalig postdoctoraal onderzoeker die nu professor is aan de Xiamen University en Columbia Mishra, een afstudeerder.

Het team van UT Dallas, die moleculaire dynamica-simulaties uitvoerde die goed overeenkwamen met de sterkere thermische connectiviteit van het isotopisch gemanipuleerde grafeen, inclusief Kyeongjae Cho, een professor, en Hengji Zhang, afgestudeerde student.