Onderzoekers hebben een onverwachte manier gevonden om de thermische geleidbaarheid van tweedimensionale (2-D) materialen te regelen, waarmee elektronica-ontwerpers warmte kunnen afvoeren in elektronische apparaten die deze materialen gebruiken.

2-D materialen hebben een gelaagde structuur, waarbij elke laag een sterke horizontale binding heeft, of "in het vliegtuig, " en zwakke bindingen tussen de lagen, of 'uit het vliegtuig'. Deze materialen hebben unieke elektronische en chemische eigenschappen, en belofte inhouden voor gebruik bij het creëren van flexibele, dun, lichtgewicht elektronische apparaten.

Voor veel van deze potentiële toepassingen het is belangrijk om warmte efficiënt af te kunnen voeren. En dit kan lastig zijn. Bij 2D-materialen, warmte wordt in het vliegtuig anders geleid dan buiten het vliegtuig.

Bijvoorbeeld, in één klasse van 2D-materialen, TMD's genoemd, warmte wordt geleid met 100 watt per meter per Kelvin (W/mK) in het vlak, maar met slechts 2 W/mK uit het vliegtuig. Dat geeft het een "thermische anisotropieverhouding" van ongeveer 50.

Om de thermische geleidingseigenschappen van 2D-materialen beter te begrijpen, een team van onderzoekers van de North Carolina State University, de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign (UI) en het Toyota Research Institute of North America (TRINA) begonnen te experimenteren met molybdeendisulfide (MoS2), dat is een TMD.

De onderzoekers vonden dat, door wanorde in de MoS2 te introduceren, ze zouden de thermische anisotropieverhouding aanzienlijk kunnen veranderen.

De onderzoekers creëerden deze aandoening door lithiumionen te introduceren tussen de lagen MoS2. De aanwezigheid van de lithiumionen doet twee dingen tegelijk:het zorgt ervoor dat de lagen van het 2D-materiaal niet op elkaar aansluiten, en het dwingt de MoS2 om de structuur van zijn samenstellende atomen te herschikken.

Toen de verhouding van lithiumionen tot MoS2 0,34 bereikte, de thermische geleidbaarheid in het vlak was 45 W/mK, en de out-of-plane thermische geleidbaarheid daalde tot 0,4 W/mK, waardoor de thermische anisotropieverhouding van het materiaal toenam van 50 tot meer dan 100. Met andere woorden, warmte werd meer dan twee keer zoveel kans om in het vliegtuig te reizen - langs de laag, in plaats van tussen de lagen.

En dat was zo goed als het kon. Door minder lithiumionen toe te voegen, werd de thermische anisotropieverhouding lager. Door meer ionen toe te voegen, werd het ook lager. Maar in beide gevallen de verhouding werd op een voorspelbare manier beïnvloed, wat betekent dat de onderzoekers de thermische geleidbaarheid en thermische anisotropieverhouding van het materiaal konden afstemmen.

"Deze bevinding was erg contra-intuïtief, " zegt Jun Liu, een assistent-professor mechanische en ruimtevaarttechniek bij NC State en co-corresponderende auteur van een paper waarin het werk wordt beschreven. "De conventionele wijsheid was dat het introduceren van wanorde in elk materiaal de thermische anisotropieverhouding zou verminderen.

"Maar op basis van onze waarnemingen, we zijn van mening dat deze benadering voor het beheersen van de thermische geleidbaarheid niet alleen van toepassing is op andere TMD's, maar naar 2D-materialen in het algemeen, "zegt Liu.

"We wilden ons fundamentele begrip van 2D-materialen vergroten, en we hebben, " voegt Liu toe. "Maar we hebben ook iets geleerd dat waarschijnlijk van praktisch nut zal zijn voor de ontwikkeling van technologieën die gebruik maken van 2D-materialen."