Een theoretisch model dat uitlegt hoe warmtestromen uit grafeen kunnen helpen bij het verbeteren van het ontwerp van apparaten op nanoschaal, zeggen A*STAR-wetenschappers.

Grafeen is een tweedimensionaal koolstofkristal van slechts één atoom dik. Deze sterke, elektrisch geleidend materiaal wordt onderzocht voor een breed scala aan toepassingen, inclusief elektronische apparaten waarbij grafeen op een substraat zoals silica wordt gelegd. Door grafeen op deze manier te gebruiken, kunnen apparaten worden gemaakt die veel compacter zijn dan conventionele elektronische componenten, maar het kleine formaat brengt kosten met zich mee - elektrische stroom die door grafeen stroomt, kan veel afvalwarmte genereren. Als deze warmte niet wordt afgevoerd naar de ondergrond, het kan de prestaties en levensduur van een apparaat beïnvloeden.

Zhun-Yong Ong en collega's van het A*STAR Institute of High Performance Computing hebben het eerste theoretische model ontwikkeld dat nauwkeurig de snelheid van warmtedissipatie voorspelt. Hun studie maakte gebruik van het idee dat trillingen in het kristalrooster, genaamd fononen, dragen het grootste deel van deze warmte over de grens, en de buiging van het grafeenblad beïnvloedt hoe deze fononen zich gedragen.

De onderzoekers gebruikten hun theorie om de warmtedissipatie van grafeen te berekenen, en een verwant tweedimensionaal materiaal genaamd molybdeendisulfide, in twee soorten silicasubstraat, bij temperaturen van -268 tot meer dan 120 graden Celsius.

Over de meer typische vorm van silica, een vierkante meter grafeen transporteert 34,6 megawatt aan warmtekracht voor elke graad temperatuurstijging (34,6 MWK) ^-1 m ^-2 ). Wanneer een tweede laag silica op de grafeenplaat wordt gelegd, het verbetert de warmteoverdracht naar het onderliggende substraat drastisch, tot 105 MWK ^-1 m ^-2 . De onderzoekers zagen een vergelijkbare trend in molybdeendisulfide, en suggereren dat de bovenste laag verandert hoe het grafeenrooster trilt. Dit maakt het gemakkelijker voor laagfrequente trillingen om in het substraat te komen, warmte-energie met zich meedragen.

"Efficiëntere warmteoverdracht is een voordeel voor het voorkomen van oververhitting in nano-elektronica, " zegt Ong. "Aan de andere kant, gelokaliseerde verwarming is soms nodig voor toepassingen zoals geheugenapparaten met faseverandering, en dus kan de snelle verspreiding van warmte als ongewenst worden beschouwd."

De theorie zou kunnen helpen om de interacties tussen grafeen en andere materialen te verfijnen, zegt Ong:"Dit begrip kan ons in staat stellen om de structuur en materialen te optimaliseren bij het ontwerpen van 2D-apparaten op nanoschaal, voor een efficiëntere warmteafvoer."

Ong heeft onlangs de theorie uitgebreid om rekening te houden met warmtedissipatie van complexere 2D-kristallen, en gaat door met het verfijnen van het model.