Nella foto è un'illustrazione del grafene multistrato supportato su un substrato SiO2 amorfo. Sadeghi et al hanno scoperto che la conduttività termica del piano basale del grafene multistrato supportato aumenta con l'aumentare dello spessore dello strato e deve ancora tornare al valore della grafite anche quando lo spessore viene aumentato a 34 strati. L'effetto è più pronunciato a temperature più basse. Hanno attribuito la scoperta alla diffusione parzialmente diffusa dei fononi all'interfaccia grafene-supporto, trasmissione particolarmente diffusa di fononi attraverso l'interfaccia, così come lungo fonone significa cammino libero nella grafite anche lungo la direzione del piano trasversale. Credito:immagine per gentile concessione di Jo Wozniak, Centro di calcolo avanzato del Texas
Grafene, una forma spessa un atomo della grafite materiale di carbonio, è stato salutato come un materiale meraviglioso, forte, leggero, quasi trasparente e un eccellente conduttore di elettricità e calore, e potrebbe benissimo esserlo. Ma è necessario superare una serie di sfide pratiche prima che possa emergere come sostituto del silicio e di altri materiali nei microprocessori e nei dispositivi energetici di prossima generazione.
Una sfida particolare riguarda la questione di come i fogli di grafene possono essere utilizzati in dispositivi reali.
"Quando si fabbricano dispositivi utilizzando il grafene, devi supportare il grafene su un substrato e così facendo in realtà sopprime l'elevata conduttività termica del grafene, " disse Li Shi, un professore di ingegneria meccanica presso l'Università del Texas ad Austin, il cui lavoro è parzialmente finanziato dalla National Science Foundation (NSF).
La conduttività termica è fondamentale nell'elettronica, soprattutto quando i componenti si riducono alla nanoscala. L'elevata conduttività termica è una buona cosa per i dispositivi elettronici fabbricati con grafene. Significa che il dispositivo può diffondere il calore che genera per prevenire la formazione di punti caldi locali. Però, nel caso del grafene, quando vengono utilizzati anche i materiali di supporto necessari, il grafene perde parte dell'elevatissima conduttività termica prevista per il suo stato idealizzato quando è sospeso liberamente nel vuoto.
In un articolo pubblicato nel settembre 2013 su Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , Shi, insieme all'assistente di ricerca laureato Mir Mohammad Sadeghi e alla borsista post-dottorato Insun Jo, progettato un esperimento per osservare gli effetti della conduttività termica quando è stato aumentato lo spessore del grafene supportato su uno strato di vetro amorfo. Hanno osservato che la conduttività termica aumentava man mano che il numero di strati cresceva da un singolo strato di un atomo a uno spessore di 34 strati. Però, anche a 34 strati, la conduttività termica non si era ripristinata al punto da raggiungere l'altezza della grafite sfusa, che è un ottimo conduttore di calore.
Questi risultati stanno portando Shi e altri a esplorare nuovi modi per supportare o collegare il grafene con il mondo macroscopico, comprese strutture tridimensionali in schiuma interconnesse di grafene e grafite ultrasottile, o l'uso di nitruro di boro esagonale, che ha quasi la stessa struttura cristallina del grafene.
"Uno dei nostri obiettivi è utilizzare il grafene e altri materiali stratificati per realizzare dispositivi elettronici flessibili. E quei dispositivi saranno realizzati su substrati di plastica, che sono flessibili, ma hanno anche una conduttività termica molto bassa, " Shi ha spiegato. "Quando si esegue corrente attraverso i dispositivi, molti di loro falliscono. Il calore non può essere dissipato efficacemente, quindi diventa molto caldo e scioglie semplicemente il substrato."
La fusione non è l'unico problema. Con l'aumentare delle temperature, il substrato polimerico flessibile può diventare un materiale fuso e simile alla gomma che rompe i materiali elettronici costruiti sopra e fa sì che i minuscoli fili conduttori nei dispositivi elettronici si guastino facilmente.
"Generalmente, un hot chip non va bene per i dispositivi, "Shi ha detto. "I transistor cambieranno più lentamente e richiederanno più potenza."
Shi ha esplorato le proprietà fisiche dei materiali a base di grafene per più di un decennio. È coautore di un articolo del 2001 in Lettere di revisione fisica che ha riportato la prima misura di alta conducibilità termica in singoli nanotubi di carbonio, un cugino del grafene. È anche coautore di un articolo del 2010 in Scienza che ha fornito informazioni critiche sulla conduttività termica e sul trasporto termico nel grafene a strato singolo supportato su un substrato.
Shi sta cercando di rispondere a domande fondamentali su come i fononi, le vibrazioni degli atomi nei solidi, trasportano il calore. I fononi sono come elettroni o fotoni (particelle di luce), in quanto trasportano energia termica. Però, molto meno si sa dei fononi perché i loro effetti sono meno evidenti alla macroscala in cui viviamo.
Micrografia elettronica a scansione a falsi colori di una membrana sospesa che supporta il grafene. Le frecce rosse mostrano la direzione del flusso di calore. Credito:Li Shi, L'Università del Texas ad Austin
"Questo studio fondamentale ci ha permesso di comprendere la fisica intrinseca della diffusione delle onde reticolari, " disse Shi.
Gli esperimenti di Shi hanno permesso al suo team di dedurre come i fononi si disperdono in funzione dello spessore degli strati di grafene, sulla base delle osservazioni di come la conduttività termica varia con il diverso numero di strati.
Per raccogliere queste intuizioni, il suo team ha condotto calcoli teorici utilizzando il supercomputer Stampede presso il Texas Advanced Computing Center (TACC), con sede presso l'Università del Texas ad Austin.
Le simulazioni li hanno portati a comprendere meglio i loro risultati sperimentali.
"Per capire veramente la fisica, è necessario includere calcoli teorici aggiuntivi. Ecco perché usiamo i supercomputer di TACC, " disse Shi. "Quando fai un esperimento, vedi una tendenza, ma senza fare i calcoli non si sa bene cosa significhi. La combinazione dei due è molto potente. Se ne fai uno senza fare l'altro, potresti non sviluppare la comprensione necessaria."
La maggior parte dei sistemi termici utilizzati oggi si basa su tecnologie legacy, secondo Shi. Il rame e l'alluminio servono come materiali di dissipazione del calore nei computer; i sali fusi e la cera di paraffina sono utilizzati come mezzo di accumulo di energia nei dispositivi di accumulo termico; e per eseguire la conversione termoelettrica per il recupero del calore residuo, usiamo materiali come il tellururo di bismuto o il tellururo di piombo che contengono elementi che non sono abbondanti nella crosta terrestre o non sono rispettosi dell'ambiente.
"Siamo davvero limitati dai materiali, " Shi ha detto. "Possiamo trovare materiali più efficaci per sostituire le interconnessioni in rame e i dissipatori di calore in rame, o sostituire i transistor al silicio? Possiamo sviluppare isolanti termicamente stabili per applicazioni come la protezione antincendio? Penso che tra 10 anni, nuovi materiali verranno scoperti e implementati per sostituire queste tecnologie legacy".
Recentemente, ha esplorato come il grafene multistrato può recuperare parte dell'elevata conduttività termica che si perde quando il grafene viene posizionato su un substrato di vetro, e anche esaminando altri materiali cristallini per supportare il grafene.
Shi e il suo team stanno sperimentando e modellando nuovi supporti dielettrici, come il nitruro di boro, che ha una struttura cristallina paragonabile al grafene. La speranza è che la sua struttura cristallina simile porti a una migliore conduttività termica e a una minore diffusione dei fononi quando vengono utilizzati per supportare il grafene. In un recente articolo in Lettere fisiche applicate , Il team di Shi e Steve Cronin della University of Southern California ha riportato la loro indagine sul trasporto termico attraverso un'interfaccia grafene/boro-nitruro. I risultati suggeriscono l'importanza di migliorare la qualità dell'interfaccia per aumentare la conduttanza dell'interfaccia.
Schema per modellare lo scattering fononico per confine in un nastro di grafene multistrato in cui la velocità di gruppo e il vettore d'onda non sono collineari a causa della struttura altamente anisotropa. Credito:Li Shi, L'Università del Texas ad Austin
Un'altra linea di ricerca di Shi riguarda i materiali per lo stoccaggio dell'energia termica. Scritto nel numero di dicembre 2013 della rivista Scienze energetiche e ambientali , Il team di Shi ha dimostrato che le schiume di grafene ultrasottili possono essere utilizzate per aumentare la capacità di potenza dei dispositivi di accumulo termico aumentando la velocità con cui il calore può essere caricato e scaricato nei materiali a cambiamento di fase utilizzati per immagazzinare l'energia termica.
"La maggiore stabilità del ciclo termico, e l'applicabilità a una vasta gamma di materiali a cambiamento di fase suggerisce che i compositi in schiuma di grafite ultrasottili sono un percorso promettente per raggiungere gli obiettivi di capacità elevata di una serie di applicazioni di accumulo termico, compreso il riscaldamento e il raffreddamento di edifici e veicoli, raccolta solare termica, e la gestione termica dell'accumulo di energia elettrochimica e dei dispositivi elettronici, " ha detto Michael Pettes, un professore di ingegneria meccanica presso l'Università del Connecticut e coautore dell'articolo.
"È il lavoro fondamentale di Shi sui materiali su scala nanometrica, incluso il grafene, che ha guidato la progettazione di materiali scalabili che possono trarre vantaggio dalla nanostrutturazione e fornire vantaggi sociali potenzialmente rivoluzionari".
Il filo conduttore di tutta questa ricerca è lo sviluppo di una comprensione di come i vettori energetici fondamentali, inclusi gli elettroni, fotoni, fononi e molecole:sono trasportati e accoppiati tra loro nei materiali, disse Shi.
"Il professor Shi ha aperto la strada al lavoro sulle misurazioni del trasporto fononico su nanoscala e ha effettuato misurazioni su una gamma di sistemi su nanoscala. È stato tra i primi a riportare misurazioni che mostrano l'importante effetto di un substrato sulla riduzione della conduttività termica in grafene, " disse Sumant Acheriya, un funzionario del programma NSF. "NSF ha anche supportato il professor Shi nello sviluppo di materiali termoelettrici a base di siliciuro a basso costo con l'intento di favorire lo sviluppo del recupero del calore di scarto a base termoelettrica dalle automobili. Il professor Shi è leader nel campo del trasporto di calore su nanoscala, e sono lieto che NSF sia stata in grado di supportare molte delle ricerche innovative del Prof. Shi."
Li Shi e lo studente laureato Gabriel Coloyan esplorano il germanano, un nuovo materiale che può essere utile per dispositivi elettronici o dispositivi di conversione dell'energia termoelettrica. In collaborazione con il gruppo di Josh Goldberger presso la Ohio State University, Il team di Shi sta esplorando le caratteristiche su scala nanometrica del materiale, alla ricerca di modi per migliorare le sue proprietà termiche ed elettroniche. Credito:Aaron Dubrow, Fondazione Nazionale della Scienza
Oltre al programma sui processi di trasporto termico di NSF, La ricerca di Shi è stata supportata dall'Office of Naval Research, il Dipartimento di Energia Ufficio di Scienze Energetiche di Base e ARPA-E. Uno dei loro progetti fa ora parte dello sforzo complessivo del centro Nanomanufacturing Systems for Mobile Computing and Mobile Energy Technologies (NASCENT), fondata nel 2013 e con sede presso l'Università del Texas ad Austin. Il centro di ricerca ingegneristico finanziato dalla NSF sviluppa un'elevata produttività, sistemi di nanoproduzione versatili e ad alto rendimento per portare le scoperte della nanoscienza dal laboratorio al mercato.
Nonostante una lunga storia di esplorazione e progettazione con il materiale, Shi non afferma che il grafene sarà sempre superiore ad altri materiali.
"Ma ha interessanti prospettive per le applicazioni, " ha detto. "E c'è grande fisica coinvolta."
