Een van de grootste problemen bij het ontwerpen van elektronische componenten is het afvoeren van overtollige warmte. Nutsvoorzieningen, A*STAR-onderzoekers hebben een eenvoudige manier gevonden om de warmtestroom in grafeen te variëren, een doorbraak die de pogingen om overtollige warmte in elektronica nuttig te gebruiken zal verbeteren.

grafeen, een tweedimensionaal materiaal bestaande uit een één-atoom dik koolstofblad, heeft een buitengewoon hoge thermische geleidbaarheid. Liu Xiangjun van het A*STAR Institute of High Performance Computing en collega's hebben een manier ontwikkeld om de thermische geleidbaarheid van grafeen te verminderen, waardoor overtollige warmte kan worden afgeleid naar componenten die deze kunnen afvoeren of zelfs in elektriciteit kunnen omzetten.

De simulaties van het team toonden aan dat het klemmen van grafeen tussen twee andere grafeenplaten, met slechts matige druk, de thermische geleidbaarheid met een derde verminderen. Door meer klemmen toe te voegen en de druk te variëren, kan de warmtestroom worden afgestemd, het creëren van een 'thermische modulator', vergelijkbaar met elektrische componenten zoals variabele weerstanden die de stroom van elektriciteit regelen.

Een ander voordeel is dat klemmen geen blijvende schade toebrengt aan het grafeen. Populaire benaderingen om de thermische eigenschappen van grafeen te veranderen, zijn onder meer doping of het introduceren van defecten in de structuur, die het materiaal blijvend veranderen. De aanpak van het A*STAR-team, echter, biedt een aanzienlijke winst. "Het verandert de kristalstructuur niet en is volledig omkeerbaar - als de druk wordt verwijderd, het grafeen keert terug naar zijn oorspronkelijke staat, " legt Liu uit.

Het ontwerp van het team is ontwikkeld met behulp van moleculaire dynamica om de beweging van fononen te simuleren, het thermische equivalent van de fotonen van het elektromagnetisme. Ze ontdekten dat fononen werden verstrooid omdat de mechanische kracht de energieniveaus van de fononen verschoof en een mismatch veroorzaakte met de energieniveaus in het ongeklemde grafeen.

Liu was vooral verrast toen hij ontdekte dat de grenzen van het ingeklemde gebied de grootste verschuiving van het energieniveau hadden en dus de verstrooiing domineerden, en het effect was minder significant in het midden van de klemmen. “Dat hadden we niet verwacht, " zei Liu. "We hebben een aantal fundamentele principes onthuld voor thermisch transport."

Om meer grenzen te creëren, veranderde het team hun simulatie van een enkel vastgeklemd gebied naar meerdere kleinere gebieden en ontdekte dat de thermische geleidbaarheid inderdaad dramatisch daalde.

Liu waarschuwt dat het effect afhankelijk is van de tweedimensionale aard van grafeen en niet zal werken in bulkmaterialen. "Mensen zijn steeds meer geïnteresseerd in het bouwen van driedimensionale geïntegreerde schakelingen die tweedimensionale materialen nodig hebben. Ik denk dat onze aanpak een onderdeel van deze systemen kan zijn, " hij zei.