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2018
04-26

在声子散射方面的研究更多地揭示了石墨烯作为硅的替代品


声子散射中的新研究在石墨烯上释放出更多的光作为硅的替代物


图示了在非晶态SiO2基底上负载的多层石墨烯的图示。德克萨斯州高级计算中心Jo Wozniak提供的图片

石墨烯是碳原子石墨的一个原子厚度的形式,被誉为一种奇妙的材料 - 强度高,重量轻,几乎透明,是一种极好的导体电和热。但是,在微处理器和下一代能源设备中可能出现硅和其他材料的替代品之前,必须克服许多实际的挑战。

一个特殊的挑战涉及如何在实际设备中使用石墨烯片的问题。奥斯汀得克萨斯大学机械工程教授李石说:“当你使用石墨烯制造器件时,必须将石墨烯支撑在基底上,这样做实际上抑制了石墨烯的高导热性。”部分工作由国家科学基金会(NSF)资助。

导热系数对电子学至关重要,特别是当元件收缩到纳米级时。对于由石墨烯制造的电子器件来说,高导热性是好事。这意味着该设备可以传播它产生的热量,防止形成局部热点。然而,在石墨烯的情况下,当所需的辅助材料也被使用时,石墨烯在真空中自由悬浮时会失去一些超高热导率,这是预期的理想状态。

Shi在研究助理Mir Mohammad Sadeghi和博士后Insun Jo于2013年9月在“美国科学院学报”上发表了一篇论文,设计了一个实验来观察导热系数负载在非晶玻璃层上的石墨烯的厚度增加。

他们观察到,随着层数从单原子层增长到34层,热导率增加。然而,即使在34层,导热性也没有恢复到与散热石墨一样高的温度,这是一种优良的导热体。美国国家科学基金会Aaron Dubrow 这些研究结果引领了Shi等人探索石墨烯与超薄石墨的三维相互连接的泡沫结构或六方氮化硼等与宏观世界相互支撑或连接的新方式,与石墨烯相同的晶体结构。 Shi解释说:“我们的目标之一是使用石墨烯和其他分层材料来制造柔性电子器件。 “而这些设备将在塑料基板上制造,这种基板非常灵活,而且导热率非常低。当你通过设备运行电流时,很多都失败了。热量不能有效地散发,所以它变得非常热,它只是融化基板。“

融化不是唯一的问题。随着温度的升高,柔性聚合物基板会变成熔融的橡胶状材料,从而破坏了建在顶部的电子材料,导致电子设备中的微小导线容易损坏。 Shi说:“一般来说,热芯片不适合这些器件。 “晶体管的开关速度会更慢,所需功率也更大。”

十多年来Shi一直在探索石墨烯材料的物理特性。他在“物理评论快报”上发表了一篇2001年的论文,报道了在石墨烯的表亲碳纳米管中首次测量高导热系数。他还与人合着了2010年的“科学”杂志,对单层石墨烯的热导率和热传导提供了重要的见解 支撑在衬底上。

石正试图回答关于声子 - 固体中原子的振动 - 传热的基本问题。声子就像电子或光子(光粒子),因为它们携带热能。然而,关于声子知之甚少,因为它们的影响在我们所居住的宏观尺度上不太明显。 “这个基础研究使我们能够理解格子波散射的内在物理学,”施先生说。

Shi的实验让他的团队根据观察热导率如何随不同层数变化而推断出声子如何作为石墨烯层厚度的函数散射。

为了收集这些见解,他的团队使用德克萨斯大学奥斯汀分校得克萨斯高级计算中心(TACC)的Stampedesuper计算机进行了理论计算。 Stampede由美国国家科学基金会(NSF)通过ACI-1134872授予资助。


“为了真正理解物理学,你需要包括额外的理论计算。这就是为什么我们在TACC使用超级计算机。当你做一个实验时,你会看到一个趋势,但是没有进行计算,你并不知道它是什么意思。两者的结合非常强大。如果你只做一个,而没有做另一个,你可能不会发展需要的理解。“

- 李实,
德克萨斯大学奥斯汀分校机械工程教授


模拟使他们更好地理解他们的实验结果。

“为了真正理解物理学,你需要包括额外的理论计算。这就是为什么我们在TACC使用超级计算机的原因。 “当你做一个实验的时候,你会看到一个趋势,但是没有进行计算,你并不知道它是什么意思。两者的结合非常强大。如果你只做一个,而不做另一个,你可能不会形成所需的理解。“

据Shi介绍,目前使用的大部分热系统都是基于传统技术的。铜和铝作为计算机的散热材料;熔融盐和石蜡被用作蓄热装置中的能量存储介质;为了进行废热回收而进行热电转换,使用碲化铋或碲化铅等含有在地壳中既不丰富又不环保的元素的材料。施先生说:“我们真的受到材料的限制。 “我们能否拿出更有效的材料取代铜互连和铜散热器,或者取代硅晶体管?我们能否为防火等应用开发耐热绝缘体?我认为在10年后,将发现并实施新材料来替代这些传统技术。“

最近,Shi一直在探索多层石墨烯如何能够恢复一些由于石墨烯放置在石墨烯上而损失的高导热性玻璃基板以及用于支撑石墨烯的其他晶体材料

Shi和他的团队正在试验和建模新的电介质载体,如氮化硼,它具有与石墨烯相当的晶体结构。希望其相似的晶体结构将导致更好的导热性和更少的声子散射用于支持石墨烯。在最近一篇 Applied Applied Letters 的文章中,Shi和Steve Cronin在南加州大学的研究小组报告了他们对石墨烯/氮化硼界面热传输的研究。

在多层石墨烯带中通过边界模拟声子散射的示意图,其中群速度和波矢量由于高度各向异性的结构而不共线。德克萨斯大学奥斯汀分校的李石

研究结果表明提高界面质量以增加界面电导的重要性。

Shi的另一个研究领域是研究热能储存材料。 Shi的研究小组在2013年12月刊“能源与环境科学”杂志“能源与环境科学杂志”上发表的一篇论文指出,超薄石墨烯泡沫可以用来增加蓄热装置的功率容量,通过提高热量可以被充电和放电到相变用来储存热能的材料。

“增加的热循环稳定性以及对各种相变材料的适用性表明,超薄石墨泡沫复合材料是获得大量热储存应用的高功率容量目标的有希望的途径,包括建筑和车辆加热和冷却,太阳能热采集以及电化学储能和电子设备的热管理。“康涅狄格大学机械工程教授Michael Pettes说。

Pettes说:“这是Shi在石墨烯等纳米材料领域的基础性工作,指导了可从纳米结构中获益的可扩展材料的设计,并提供了革命性的社会效益。

所有这些研究的共同点是理解如何运输基础能量载体,包括电子,光子,声子和分子,并在材料中相互结合。

美国国家科学基金会热传输过程计划项目官员Sumant Acharya表示:“史教授在纳米尺度上率先开展了声子传输测量方面的工作,并开展了一系列纳米尺度系统的测量。 “他是第一个报告测量结果显示基板对石墨烯热导率降低的重要影响的人之一。”

美国国家科学基金会还支持史开发低成本硅化物热电材料,目的是促进基于热电的废热回收。

“施教授是纳米热传输领域的领导者,我很高兴国家科学基金会已经能够支持许教授的开创性的研究,”阿查里亚说。

尽管历史悠久的探索和设计与材料,石不声称石墨烯总是会优于其他材料。他说:“它有令人兴奋的应用前景。 “这涉及到很多物理学。”

来源:UTEXAS