Un modello teorico che spiega come il calore fluisce dal grafene potrebbe aiutare a migliorare la progettazione di dispositivi su scala nanometrica, dicono gli scienziati A*STAR.
Il grafene è un cristallo di carbonio bidimensionale, spesso solo un atomo. questo forte, materiale elettricamente conduttivo viene studiato per una vasta gamma di applicazioni, compresi i dispositivi elettronici in cui il grafene è posto sopra un substrato come la silice. Usare il grafene in questo modo può creare dispositivi molto più compatti dei componenti elettronici convenzionali, ma le dimensioni ridotte hanno un costo:la corrente elettrica che scorre attraverso il grafene può generare molto calore disperso. Se questo calore non viene dissipato nel substrato, può influenzare le prestazioni e la longevità di un dispositivo.
Zhun-Yong Ong e colleghi dell'A*STAR Institute of High Performance Computing hanno sviluppato il primo modello teorico che prevede con precisione la velocità di dissipazione del calore. Il loro studio ha sfruttato l'idea che le vibrazioni nel reticolo cristallino, chiamati fononi, portare la maggior parte di questo calore attraverso il confine, e la flessione del foglio di grafene influenza il comportamento di questi fononi.
I ricercatori hanno usato la loro teoria per calcolare la dissipazione del calore dal grafene, e un materiale bidimensionale correlato chiamato bisolfuro di molibdeno, in due tipi di substrato di silice, a temperature da -268 a più di 120 gradi Celsius.
Sulla forma più tipica della silice, un metro quadrato di grafene trasferisce 34,6 megawatt di potenza termica per ogni grado di aumento della temperatura (34,6 MWK -1 m -2 ). Quando un secondo strato di silice viene posato sopra il foglio di grafene, migliora notevolmente il trasferimento di calore al substrato sottostante, a 105 MWK -1 m -2 . I ricercatori hanno visto una tendenza simile nel bisolfuro di molibdeno, e suggeriscono che lo strato superiore cambia il modo in cui vibra il reticolo di grafene. Ciò rende più facile il passaggio delle vibrazioni a bassa frequenza nel substrato, portando con sé energia termica.
"Un trasferimento di calore più efficiente è un vantaggio per la prevenzione del surriscaldamento nella nanoelettronica, " dice Ong. "D'altra parte, il riscaldamento localizzato è talvolta necessario per applicazioni quali dispositivi di memoria a cambiamento di fase, e quindi la rapida diffusione del calore può essere considerata indesiderabile."
La teoria potrebbe aiutare a mettere a punto le interazioni tra grafene e altri materiali, afferma Ong:"Questa comprensione può consentirci di ottimizzare la struttura e i materiali nella progettazione di dispositivi 2D su nanoscala, per una dissipazione del calore più efficiente."
Ong ha recentemente esteso la teoria per spiegare la dissipazione del calore da cristalli 2D più complessi, e sta continuando a perfezionare il modello.
