science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Kleine aanpassingen aan nanoribbon-randstructuren kunnen de warmtegeleiding drastisch veranderen

Buisachtige atomaire structuren aan de randen van op fosfor gebaseerde nanolinten helpen dit 2D-materiaal geleidend te houden in tijden van thermische of trekspanning. Krediet:A * STAR Institute of High Performance Computing

Zwart fosforeen, een ongebruikelijke tweedimensionale (2-D) verbinding, kan strategieën bieden om schadelijke hotspots in circuits op nanoschaal te vermijden, een nieuwe studie van A * STAR-onderzoekers heeft onthuld.

Terwijl koolstofatomen in grafeenfilms perfect plat op een oppervlak liggen, zwart fosforeen heeft een duidelijke gerimpelde vorm vanwege de bindingsvoorkeuren van zijn fosforatomen. Onderzoeken suggereren dat de zigzagstructuur van deze 2D-film het mogelijk maakt om zich in verschillende oriëntaties anders te gedragen:het kan elektronen langzaam langs één as transporteren, bijvoorbeeld, maar snel in de loodrechte richting.

Xiangjun Liu, van het A*STAR Institute of High Performance Computing merkt op dat de mogelijkheden van zwarte fosforeen verder gaan dan high-speed elektronica. "Het heeft optische, mechanisch, en thermische eigenschappen die allemaal richtingsafhankelijkheid vertonen, "zegt hij. "Dit komt door de unieke gebobbelde structuur, die echt indruk op me maakte toen ik het voor het eerst zag."

Onderzoekers theoretiseren dat overtollige warmte kan worden onttrokken aan circuits op nanoschaal met behulp van nauwkeurig gecontroleerde fononen - 'quanta' of pakketten van trillingsenergie - die aanwezig zijn in zwarte fosforeencomponenten.

Liu en collega's richtten hun onderzoek op een belangrijk structureel probleem dat de thermische geleidbaarheid van fosforeen kan beïnvloeden - de atoomstructuren aan de randen van de 2D-film. Onderzoekers hebben voorspeld dat fosforeen ofwel een dimeerrand kan hebben die wordt gevormd door koppeling van twee eindatomen, of een energetisch stabiele buisvormige rand gecreëerd door multi-atoombinding.

Om te begrijpen hoe verschillende randstructuren de thermische geleidbaarheid beïnvloeden, het A*STAR-team gebruikte computeralgoritmen die de overdracht van fononen over een temperatuurgradiënt simuleren. Ze modelleerden fosforeenfilms als smal, rechthoekige nanoribbons en merkte op dat de warmtegeleiding meestal uniform was in ongerepte nanoribbons. De modellen met dimeer en buiseinden, anderzijds, bij voorkeur warmte naar centrale gebieden weg van de randen.

Verdere berekeningen onthulden dat de modellen met buisranden verschillende fonon-excitaties produceerden van de andere fosforeenstructuren - ze vertoonden een nieuw type draaiende beweging, evenals geometrische uitzettingen en samentrekkingen die ademhalingsmodi worden genoemd. Deze extra bewegingen legt Liu uit, zijn waarschijnlijk de reden waarom buisranden zo goed werken bij het verstrooien van thermische trillingen en koel blijven.

Normaal gesproken, 2D-materialen hebben een verminderd vermogen om warmte te verspreiden wanneer ze zijdelings worden belast. Tube-terminated nanoribbons, echter, hebben bijna constante thermische geleidbaarheid onder spanning - een eigenschap die nuttig kan zijn in toekomstige draagbare technologie.

"Het spanningsonafhankelijke thermische gedrag kan gunstig zijn voor apparaten die stabiele prestaties nodig hebben terwijl ze worden belast of gedraaid, ", zegt Liu. "Fosforeen heeft een groot potentieel voor toepassingen van zachte en flexibele elektronica."