grafeen, een één atoom dikke vorm van het koolstofmateriaal grafiet, is geprezen als een wondermateriaal - sterk, licht, bijna transparant en een uitstekende geleider van elektriciteit en warmte - en dat zou heel goed kunnen. Maar er moet een aantal praktische uitdagingen worden overwonnen voordat het kan verschijnen als een vervanging voor silicium en andere materialen in microprocessors en energie-apparaten van de volgende generatie.

Een bijzondere uitdaging betreft de vraag hoe grafeenvellen kunnen worden gebruikt in echte apparaten.

"Als je apparaten maakt met grafeen, je moet het grafeen op een substraat ondersteunen en dit onderdrukt eigenlijk de hoge thermische geleidbaarheid van grafeen, " zei LiShi, een professor in werktuigbouwkunde aan de Universiteit van Texas in Austin, wiens werk gedeeltelijk wordt gefinancierd door de National Science Foundation (NSF).

Warmtegeleiding is van cruciaal belang in de elektronica, vooral omdat componenten krimpen tot op nanoschaal. Hoge thermische geleidbaarheid is een goede zaak voor elektronische apparaten vervaardigd uit grafeen. Het betekent dat het apparaat de warmte die het genereert kan verspreiden om de vorming van lokale hotspots te voorkomen. Echter, in het geval van grafeen, wanneer ook de benodigde ondersteunende materialen worden gebruikt, grafeen verliest een deel van de superhoge thermische geleidbaarheid die wordt voorspeld voor zijn geïdealiseerde staat wanneer het vrij in een vacuüm wordt gesuspendeerd.

In een paper gepubliceerd in september 2013 in de Proceedings van de National Academy of Sciences , Shi, samen met afgestudeerde onderzoeksassistent Mir Mohammad Sadeghi en postdoctoraal fellow Insun Jo, ontwierp een experiment om de effecten van thermische geleidbaarheid te observeren wanneer de dikte van grafeen op een amorfe glaslaag werd verhoogd. Ze merkten op dat de thermische geleidbaarheid toenam naarmate het aantal lagen groeide van een enkele laag van één atoom tot wel 34 lagen. Echter, zelfs bij 34 lagen, de thermische geleidbaarheid was niet hersteld tot het punt waarop het zo hoog was als bulkgrafiet, wat een uitstekende warmtegeleider is.

Deze bevindingen brengen Shi en anderen ertoe om nieuwe manieren te onderzoeken om grafeen te ondersteunen of te verbinden met de macroscopische wereld, inclusief driedimensionale onderling verbonden schuimstructuren van grafeen en ultradun grafiet, of het gebruik van hexagonaal boornitride, die bijna dezelfde kristalstructuur heeft als grafeen.

"Een van onze doelstellingen is om grafeen en andere gelaagde materialen te gebruiken om flexibele elektronische apparaten te maken. En die apparaten zullen worden gemaakt op plastic substraten, die flexibel zijn, maar hebben ook een zeer lage thermische geleidbaarheid, " legde Shi uit. "Als je stroom door de apparaten laat lopen, veel van hen falen. De warmte kan niet effectief worden afgevoerd, dus het wordt erg heet en het smelt gewoon het substraat."

Smelten is niet het enige probleem. Naarmate de temperatuur hoger wordt, het flexibele polymeersubstraat kan een gesmolten en rubberachtig materiaal worden dat de elektronische materialen die erop zijn gebouwd breekt en ervoor zorgt dat kleine geleidende draden in elektronische apparaten gemakkelijk kapot gaan.

"In het algemeen, een hete chip is niet goed voor de apparaten, "Zei Shi. "De transistors schakelen langzamer en hebben meer vermogen nodig."

Shi onderzoekt al meer dan een decennium de fysieke eigenschappen van op grafeen gebaseerde materialen. Hij was co-auteur van een artikel uit 2001 in Fysieke beoordelingsbrieven die de eerste meting van hoge thermische geleidbaarheid in individuele koolstofnanobuisjes rapporteerde, een neef van grafeen. Hij was ook co-auteur van een artikel uit 2010 in Wetenschap die kritisch inzicht verschaften in de thermische geleidbaarheid en het thermische transport in enkellaags grafeen ondersteund op een substraat.

Shi probeert fundamentele vragen te beantwoorden over hoe fononen - de trillingen van atomen in vaste stoffen - warmte transporteren. Fononen zijn als elektronen of fotonen (lichtdeeltjes), doordat ze warmte-energie dragen. Echter, er is veel minder bekend over fononen omdat hun effecten minder duidelijk zijn op de macroschaal waarop we leven.

"Deze fundamentele studie stelde ons in staat om de intrinsieke fysica van de verstrooiing van roostergolven te begrijpen, ' zei Shi.

Shi's experimenten lieten zijn team afleiden hoe fononen zich verspreiden als een functie van de dikte van de grafeenlagen, gebaseerd op waarnemingen van hoe de thermische geleidbaarheid varieerde met verschillende aantallen lagen.

Om deze inzichten te verzamelen, zijn team voerde theoretische berekeningen uit met behulp van de Stampede-supercomputer in het Texas Advanced Computing Center (TACC), gevestigd aan de Universiteit van Texas in Austin.

Door de simulaties kregen ze een beter inzicht in hun experimentele resultaten.

"Om de fysica echt te begrijpen, u moet aanvullende theoretische berekeningen opnemen. Daarom gebruiken we de supercomputers bij TACC, " zei Shi. "Als je een experiment doet, je ziet een trend, maar zonder de berekeningen weet je niet echt wat het betekent. De combinatie van de twee is erg krachtig. Als je het ene doet zonder het andere te doen, je zou misschien niet het benodigde begrip ontwikkelen."

De meeste thermische systemen die tegenwoordig worden gebruikt, zijn gebaseerd op oudere technologieën, volgens Shi. Koper en aluminium dienen als koellichaammaterialen in computers; gesmolten zouten en paraffinewas worden gebruikt als opslagmedium voor energie in thermische opslagapparaten; en om thermo-elektrische conversie uit te voeren voor de terugwinning van restwarmte, we gebruiken materialen zoals bismuttelluride of loodtelluride die elementen bevatten die ofwel niet overvloedig aanwezig zijn in de aardkorst ofwel niet milieuvriendelijk zijn.

"We zijn echt beperkt door de materialen, Shi zei. "Kunnen we effectievere materialen bedenken om koperen interconnects en koperen heatsinks te vervangen, of siliciumtransistors vervangen? Kunnen we thermisch stabiele isolatoren ontwikkelen voor toepassingen als brandbeveiliging? Ik denk over 10 jaar, nieuwe materialen zullen worden ontdekt en geïmplementeerd om deze legacy-technologieën te vervangen."

Onlangs, hij heeft onderzocht hoe meerlagig grafeen een deel van de hoge thermische geleidbaarheid kan herstellen die verloren gaat als grafeen op een glassubstraat wordt geplaatst, en ook kijken naar andere kristallijne materialen voor het ondersteunen van grafeen.

Shi en zijn team experimenteren en modelleren nieuwe diëlektrische steunen, zoals boornitride, die een vergelijkbare kristalstructuur heeft als grafeen. De hoop is dat de vergelijkbare kristalstructuur zal leiden tot een betere thermische geleidbaarheid en minder fononverstrooiing wanneer ze worden gebruikt om grafeen te ondersteunen. In een recent artikel in Toegepaste fysieke letters , Het team van Shi en Steve Cronin aan de Universiteit van Zuid-Californië rapporteerde hun onderzoek naar thermisch transport over een grafeen / boor-nitride-interface. De resultaten suggereren het belang van het verbeteren van de interfacekwaliteit om de geleidbaarheid van de interface te verhogen.

Een andere lijn van Shi's onderzoek kijkt naar materialen voor thermische energieopslag. Schrijven in het decembernummer van het tijdschrift Energie- en milieuwetenschappen , Shi's team toonde aan dat ultradunne grafeenschuimen kunnen worden gebruikt om de vermogenscapaciteit van thermische opslagapparaten te vergroten door de snelheid te verhogen waarmee warmte kan worden opgeladen en afgevoerd naar de faseovergangsmaterialen die worden gebruikt om de thermische energie op te slaan.

"De verhoogde thermische cyclische stabiliteit, en toepasbaarheid op een breed scala aan faseveranderingsmaterialen suggereert dat ultradunne grafietschuimcomposieten een veelbelovende route zijn om de hoge vermogenscapaciteitsdoelen van een aantal thermische opslagtoepassingen te bereiken, inclusief verwarming en koeling van gebouwen en voertuigen, zonne thermische oogst, en thermisch beheer van elektrochemische energieopslag en elektronische apparaten, " zei Michael Pettes, een professor in werktuigbouwkunde aan de Universiteit van Connecticut en co-auteur van het artikel.

"Het is Shi's fundamentele werk aan materialen op nanoschaal, waaronder grafeen, dat het ontwerp heeft geleid van schaalbare materialen die kunnen profiteren van nanostructurering en mogelijk revolutionaire maatschappelijke voordelen bieden."

De rode draad voor al dit onderzoek is de ontwikkeling van een begrip van hoe de fundamentele energiedragers – inclusief elektronen, fotonen, fononen en moleculen - worden getransporteerd en aan elkaar gekoppeld in materialen, zei Shi.

"Professor Shi heeft baanbrekend werk verricht op het gebied van metingen van fonontransport op nanoschaal en heeft metingen verricht in een reeks nanoschaalsystemen. Hij was een van de eersten die metingen rapporteerde die het belangrijke effect van een substraat op de vermindering van de thermische geleidbaarheid in grafeen, " zei Sumant Acheriya, een NSF-programmamedewerker. "NSF heeft professor Shi ook ondersteund bij de ontwikkeling van goedkope silicide thermo-elektrische materialen met de bedoeling de ontwikkeling van op thermo-elektrische basis terugwinning van restwarmte van auto's te bevorderen. Professor Shi is een leider op het gebied van warmtetransport op nanoschaal, en ik ben blij dat NSF veel van het baanbrekende onderzoek van Prof. Shi heeft kunnen ondersteunen."

Naast het programma voor thermische transportprocessen van NSF, Shi's onderzoek is ondersteund door het Office of Naval Research, het Department of Energy Office of Basic Energy Science en ARPA-E. Een van hun projecten maakt nu deel uit van de algehele inspanning van het centrum voor Nanomanufacturing Systems for Mobile Computing and Mobile Energy Technologies (NASCENT), opgericht in 2013 en gevestigd aan de Universiteit van Texas in Austin. Het door de NSF gefinancierde technische onderzoekscentrum ontwikkelt een hoge doorvoer, hoogwaardige en veelzijdige nanoproductiesystemen om nanowetenschappelijke ontdekkingen van het laboratorium naar de markt te brengen.

Ondanks een lange geschiedenis van het verkennen en ontwerpen met het materiaal, Shi beweert niet dat grafeen altijd superieur zal zijn aan andere materialen.

"Maar het heeft opwindende vooruitzichten voor toepassingen, " zei hij. "En er is geweldige natuurkunde bij betrokken."