Ameerika Ühendriikide teadlaste sõnul kahaneb materjali paksenemisel mitmekihilise grafeeni soojusjuhtivus. Vaatamata sellisele langusele on teadlased veendunud, et grafeen oleks väikeste elektrooniliste seadmete jahutamisel parem kui tavapärased vasest soojusjuhid. Samuti kinnitavad uurimustöö tulemused varasemaid uuringuid, mille kohaselt juhib grafeen soojust paremini kui ükski teine teadaolev materjal.
Grafeen ületamas soojuspilu
2008 aastal näitas Alexander Balandin koos oma kolleegidega California Ülikoolist, et grafeenil on toatemperatuuril väga suur soojusjuhtivus, vahemikus 3000-5000 Wm-1K -1 sõltuvalt eksemplari suurusest ning kvaliteedist. Vastavad näitajad on kõrgemad kui teemantil, mis oli siiani parim teadaolev soojusjuht.
2D-st 3D-sse
Siiani polnud aga keegi uurinud kuidas muutub mitmekihilise grafeeni soojusjuhtivus kui materjali dimensioonid kihtide lisamisel kahe-dimensionaalsest kolme-dimensionaalseks muutuvad (st. keha kirjeldamiseks on vaja arvestada nii kõrgust, pikkust kui laiust; ühe grafeenkihi kirjeldamiseks piisab kahe dimensiooni arvestamisest.) Balandini töörühm viis uurimuse läbi mõõtes mitmekihilise grafeeni soojusjuhtivust, kus kihtide arv ulatub kahest kuni kümneni. Individuaalsete grafeenplaadikeste lokaalseid temperatuure mõõdeti Ramani spektroskoopiat kasutava optilise meetodi abil.
Teadlased leidsid, et materjali soojusjuhtivus väheneb aatomkihtide arvu suurenemisel. Siiski püsib see väga kõrge 1300 Wm-1K -1 juures (neljakihilise grafeeni puhul). Võrdlusena, arvutikiipide jahutamiseks kasutatava vase soojusjuhtivus on vaid 400 Wm-1K -1, mis väga õhukeste vasekilede puhul kahaneb 250 Wm-1K -1-ni.
,,Praktilistes rakendustes peab grafeeni kombineerima komposiitmaterjalide või muude substraatidega, näiteks ränioksiidist(SiO2) kiipidega, mis selle soojusjuhtivust küll vähendavad, kuid ei kaota selle eelist vase üle,” sõnas Balandin.
Süüdi on foononid
Teadlaste sõnul kahaneb soojusjuhtivus, sest foononid, kristallvõrestiku soojust edasi kandvad kvantvibratsioonid liituvad materjali erinevates kihtides. Mida rohkem kihte, seda suurem on ka liitumine ning esineb ka rohkem foononite hajumist, see aga häirib omakorda soojuse edasikandumist.
Tulemused kinnitavad, et mõnekihiline grafeen, mida on kergem valmistada kui ühte kihti, oleks elektrooniliste seadmete, näiteks arvutikiipide, jahutamiseks ideaalne. Soovimatu kuumus on ränil põhinevate kaasaegsete seadmete puhul suureks probleemiks. Seadmete mõõtmete vähenemisel suureneb probleem veelgi.
Lähitulevikus oleks grafeeni võimalik kasutada sellistes rakendustes nagu soojuslikud vahematerjalid kiipides või läbipaistvad elektroodid fotogalvaanikas. ,,Kuna grafeen muutub paari aasta jooksul rohkem kättesaadavaks, saaks seda räniga kombineeritult kasutada ka arvutikiipides, näiteks juhtmete ühendaja või soojuse hajutajana,” lisas Balandin. Vaatamata üle kogu maailma toimuvatele uurimustöödele on grafeenipõhiste elektroonikaseadmete suurim unelm siiski kaugel tulevikus.
Artikkel ilmus ajakirjas Nature Materials.
Leave a Reply