Diverse forme di carbonio o allotropi tra cui grafene e diamante sono tra i migliori conduttori di calore. In un recente rapporto su Scienza , Yo Machida e un gruppo di ricerca nel dipartimento di Fisica e nel Laboratorio di Fisica e Materiali a Tokyo e in Francia hanno monitorato l'evoluzione della conduttività termica nella grafite sottile. La proprietà si è evoluta in funzione della temperatura e dello spessore per rivelare un intimo legame tra alta conducibilità, spessore e idrodinamica fononica (vibrazioni atomiche osservate come onde acustiche). Hanno registrato la conduttività termica (k) della grafite (spessore di 8,5 µm) pari a 4300 Watt per metro-kelvin a temperatura ambiente. Il valore era ben al di sopra di quello registrato per il diamante e leggermente superiore al grafene purificato isotopicamente.

Il riscaldamento ha migliorato la diffusività termica in un ampio intervallo di temperature per supportare il flusso fononico parzialmente idrodinamico. L'aumento osservato della conduttività termica con spessore decrescente indicava una correlazione tra il momento fuori piano dei fononi e la frazione di collisioni che rilassano il momento. Gli scienziati implicano che queste osservazioni si riferiscono all'estrema anisotropia della dispersione dei fononi nella grafite.

La propagazione degli stati vibrazionali del reticolo cristallino noti come fononi può consentire al calore di viaggiare all'interno degli isolanti. Durante questo fenomeno di trasporto, le quasiparticelle possono perdere il loro momento a causa di collisioni lungo la loro traiettoria. I ricercatori avevano proposto che un'abbondanza di collisioni che conservano la quantità di moto tra i vettori può provocare il flusso idrodinamico di fononi negli isolanti e di elettroni nei metalli. I regimi idrodinamici per elettroni e fononi hanno quindi ricevuto una rinnovata attenzione per quantificare la viscosità delle quasiparticelle.

A differenza delle particelle in un gas ideale di molecole, il momento fononico non si conserva in tutte le collisioni. Per esempio, quando la dispersione tra due fononi produce un vettore d'onda che supera il vettore unitario del reticolo reciproco, l'eccesso di quantità di moto viene perso nel reticolo sottostante. I fisici definiscono tali fenomeni come eventi di scattering Umklapp (U) (eventi U) poiché richiedono vettori d'onda sufficientemente grandi. Il raffreddamento può ridurre la lunghezza d'onda tipica dei fononi termicamente eccitati per la maggior parte delle collisioni tra fononi per conservare la quantità di moto e diventare normali eventi di diffusione (N eventi).

La dominanza degli eventi N (rispetto agli eventi U) in un ampio intervallo di temperature nel grafene ha permesso ai ricercatori di proporre che l'idrodinamica dei fononi possa essere osservata a temperature al di fuori dell'intervallo criogenico. Mentre le misurazioni del trasporto di calore sono difficili da studiare nel grafene utilizzando tecniche standard a quattro sonde allo stato stazionario, i fisici hanno trovato prove per il secondo suono; una manifestazione di idrodinamica fononica, a temperature superiori a 100 K in grafite - in accordo con le aspettative teoriche. Strutturalmente, il reticolo di grafite bidimensionale (2-D) conteneva un forte intercalare sp ² legami covalenti combinati con deboli legami di van der Waals intrastrato. La forza di accoppiamento del materiale e la sua dicotomia risultante hanno reso la grafite facilmente scindibile nella forma di grafene a strato singolo. La natura del legame della grafite ha anche creato due temperature distinte per le vibrazioni atomiche nel piano e fuori dal piano.

Machida et al. fornito nuove informazioni tramite uno studio dipendente dallo spessore sullo stesso materiale. Il team ha misurato la conduttività termica nel piano (k) di campioni di grafite pirolitica altamente orientata (HOPG) disponibili in commercio prelevati da un campione madre spesso sotto vuoto spinto. I ricercatori hanno trovato un comportamento k identico per campioni con spessore variabile da 8,5 µm a 580 µm al di sotto di 20 K. A temperature superiori a 20 K, hanno osservato un'evoluzione costante dello spessore per k con l'aumentare della temperatura. Quando hanno confrontato la dipendenza dalla temperatura di k nel campione più spesso (580 µm) con il calore specifico misurato, hanno scoperto che k ha raggiunto un picco di circa 100 K, simile alle misurazioni precedenti. Il comportamento osservato non è stato però, tipico nella maggior parte dei solidi reali a causa della distribuzione ineguale dei pesi dei fononi. I ricercatori si aspettano che il comportamento insolito registrato in questo lavoro abbia oscurato il regime di Poiseuille (flusso guidato da un gradiente di pressione lungo la lunghezza di un canale); solitamente associato a conduttività termica più rapida del cubo nel materiale.

Il team ha esaminato attentamente l'evoluzione parallela della conduttività termica e del calore specifico per svelare il regime di Poiseuille con k in evoluzione. Hanno ottenuto un'immagine idrodinamica fononica che interpretava chiaramente questa caratteristica, ad esempio, il riscaldamento ha aumentato lo scambio di slancio tra i fononi, all'aumentare della frazione di collisioni che conservavano la quantità di moto. Anche il contributo degli elettroni era trascurabilmente piccolo nell'intervallo di temperatura di interesse. Poiché i campioni iniziali di HOPG erano di qualità media del campione, il lavoro supporta anche la possibilità che l'idrodinamica dei fononi avvenga senza purezza isotropa.

Con uno spessore del campione ridotto, la squadra ha misurato un aumento di k. L'assottigliamento ha causato un comportamento amplificato non monotono della diffusività termica rispetto al regime idrodinamico e gli scienziati hanno osservato il secondo suono di grafite a 100 K. Tuttavia, la dipendenza dallo spessore è svanita sotto i 10 K, poiché il percorso libero medio del fonone fissato dalla dimensione media dei cristalliti non dipendeva dallo spessore. Gli scienziati hanno intrattenuto la possibilità dell'osservazione indipendente dallo spessore, la conducibilità termica a bassa temperatura si origina tramite diffusione intrinseca di fononi da parte di elettroni mobili.

La conduttività termica nel piano registrata per il campione di grafite spesso 8,5 µm era di ~4300 W/m·K, che ha superato il valore per un campione isotopico puro di grafene. Quando il team ha ridotto lo spessore di due ordini di grandezza a temperatura ambiente, ha osservato un aumento di cinque volte di k (conduttività termica). I risultati hanno indicato che il soffitto era più alto di quanto previsto in precedenza e che i campioni più sottili con proporzioni maggiori potrebbero mostrare una conduttività ancora maggiore.

Mentre studi precedenti avevano previsto un robusto regime idrodinamico nel grafene e osservato la sua persistenza nella grafite, nessuno aveva finora esaminato la questione della dipendenza dallo spessore. Machida et al. quindi studiato ulteriormente il verificarsi di collisioni U e N per una data dispersione fononica di grafite, per comprendere l'origine osservata della conduttività termica. Hanno mostrato una riduzione del peso relativo delle collisioni U all'interno di campioni più sottili per estendere la finestra idrodinamica e migliorare la conduttività termica. Gli scienziati potrebbero ridurre lo spessore sostituendo una frazione delle collisioni U con la riflessione speculare del bordo, per limitare la degradazione del flusso di calore. Propongono inoltre calcoli teorici seri per spiegare i risultati osservati.

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