Il materiale spesso atomo di grafene mantiene la sua elevata conduttività termica quando supportato da un substrato, un passaggio fondamentale per far progredire il materiale da fenomeno di laboratorio a componente utile in una gamma di dispositivi nanoelettronici, i ricercatori riferiscono nel numero del 9 aprile della rivista Science.

Il team di ingegneri e fisici teorici dell'Università del Texas ad Austin, Boston College, e la Commissione francese per l'energia atomica riferiscono che il foglio supersottile di atomi di carbonio - prelevato dal materiale tridimensionale grafite - può trasferire il calore più del doppio in modo efficiente rispetto ai film sottili di rame e più di 50 volte meglio dei film sottili di silicio.

Dalla sua scoperta nel 2004, il grafene è stato visto come un nuovo materiale elettronico promettente perché offre una mobilità elettronica superiore, resistenza meccanica e conducibilità termica. Queste caratteristiche sono cruciali man mano che i dispositivi elettronici diventano sempre più piccoli, presentando agli ingegneri il problema fondamentale di mantenere i dispositivi abbastanza freschi da funzionare in modo efficiente.

La ricerca fa avanzare la comprensione del grafene come candidato promettente per allontanare il calore dai "punti caldi" che si formano negli spazi ristretti dei dispositivi costruiti su scala micro e nano. Da un punto di vista teorico, il team ha anche sviluppato una nuova visione del modo in cui il calore scorre nel grafene.

Quando sospeso, il grafene ha una conduttività termica estremamente elevata di 3, 000 a 5, 000 watt per metro per Kelvin. Ma per le applicazioni pratiche, il reticolo di grafene sarebbe attaccato a un substrato. Il team ha scoperto che il grafene supportato ha ancora una conduttività termica fino a 600 watt per metro per Kelvin vicino alla temperatura ambiente. Che supera di gran lunga le conduttività termiche del rame, circa 250 watt, e silicio, solo 10 watt, film sottili attualmente utilizzati nei dispositivi elettronici.

La perdita nel trasferimento di calore è il risultato dell'interazione del grafene con il substrato, che interferisce con le onde vibrazionali degli atomi di grafene mentre urtano contro il substrato adiacente, secondo il co-autore David Broido, un professore di fisica del Boston College.

La conclusione è stata tratta con l'aiuto di precedenti modelli teorici sul trasferimento di calore all'interno del grafene sospeso, disse Broido. Lavorando con l'ex studente laureato in BC Lucas Lindsay, ora insegnante alla Christopher Newport University, e Natalio Mingo della Commissione francese per l'energia atomica, Broido ha riesaminato il modello teorico ideato per spiegare le prestazioni del grafene sospeso.

"Come teorici, siamo molto più distaccati dal dispositivo o dal lato ingegneristico. Siamo più concentrati sui fondamenti che spiegano come l'energia scorre attraverso un foglio di grafene. Abbiamo preso il nostro modello esistente per il grafene sospeso e ampliato il modello teorico per descrivere questa interazione che avviene tra il grafene e il substrato e l'influenza sul movimento del calore attraverso il materiale e, in definitiva, è la conduttività termica."

Oltre alla sua forza superiore, mobilità degli elettroni e conducibilità termica, il grafene è compatibile con i dispositivi a transistor al silicio a film sottile, una caratteristica cruciale se il materiale deve essere utilizzato a basso costo, produzione di massa. I dispositivi nanoelettronici al grafene hanno il potenziale per consumare meno energia, funzionare in modo più fresco e affidabile, e operano più velocemente rispetto all'attuale generazione di dispositivi in ​​silicio e rame.