Figura 1:Illustrazione schematica del dispositivo nanomesh di grafene asimmetrico e dei nanopori periodici (nanomesh) fabbricati su grafene sospeso utilizzando la tecnologia all'avanguardia del fascio di ioni di elio focalizzato. Credito:Japan Advanced Institute of Science and Technology
È uno degli obiettivi desiderati dagli esseri umani che vogliamo controllare con precisione il trasporto di calore come il livello in cui possiamo controllare la corrente elettrica. Tuttavia, manca ancora un raddrizzatore termico o un diodo termico ad alte prestazioni. Attualmente, i ricercatori del Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) hanno dimostrato un promettente dispositivo asimmetrico a nanomesh di grafene che mostra un elevato rapporto di rettifica termica alle basse temperature. L'esperimento fornisce una linea guida pratica per lo sviluppo di un raddrizzatore termico ad alta efficienza basato sulla struttura a nanomesh di grafene. I risultati sono pubblicati su Nano Futures .
Il raddrizzatore termico è stato dimostrato per la prima volta da Starr C. nel 1936, in cui il flusso di calore da una direzione è maggiore della direzione opposta in quanto simile a un diodo elettrico. Il meccanismo convenzionale nei materiali sfusi si basa sulla diversa dipendenza dalla temperatura delle conducibilità termiche in due diversi materiali di composizione. Tuttavia, la maggior parte dei risultati dimostrati basati su questo meccanismo mostrano un basso rapporto di rettifica compreso tra il 10 e il 20 percento circa. Inoltre, nei dispositivi su scala nanometrica, è quasi impossibile conoscere le conducibilità termiche per ciascuna parte di un raddrizzatore termico. In queste condizioni, è molto richiesta una nuova strategia per sviluppare un raddrizzatore termico ad alte prestazioni.
Un gruppo di ricerca sui fononi guidato dalla Dott.ssa Fayong Liu e dal Prof. Hiroshi Mizuta del JAIST, in collaborazione con i ricercatori dell'Istituto Nazionale di Scienza e Tecnologia Industriale Avanzate (AIST), ha dimostrato che il fenomeno della rettifica termica può essere osservato con un rapporto elevato fino al 60% su dispositivi a nanomesh di grafene asimmetrici sospesi a basse temperature (150K e 250K). Introducono la nanomesh di grafene come una struttura cristallina fononica artificiale su metà dell'area del canale del flusso di calore (Figura 1). Il diametro dei nanopori è di circa 6 nm e il passo è di 20 nm. Con l'aiuto del metodo della "dispersione termica differenziale", la misurazione del flusso di calore non è disturbata dalla dispersione della corrente di elettroni attraverso il canale sospeso. La ricerca è focalizzata sulle proprietà di trasporto fononico di questo tipo di nuova struttura del dispositivo.
"Questo risultato della ricerca è un progresso significativo verso l'applicazione pratica del grafene alla gestione termica. È anche una pietra miliare notevole per il nostro obiettivo finale di applicare il grafene per costruire un mondo più verde", afferma il prof. Hiroshi Mizuta, capo di Mizuta Lab. Il laboratorio Mizuta si sta concentrando sulla fisica fondamentale e sulle potenziali applicazioni dei dispositivi a base di grafene. Questa ricerca fornisce un modo sistematico per migliorare le prestazioni del raddrizzatore termico e offre anche la possibilità di estenderlo alle applicazioni a temperatura ambiente. + Esplora ulteriormente
