Изучение фононов проясняет практические аспекты использования графена

Прежде чем графен сменит кремний в микропроцессорах и батареях, предстоит преодолеть много технологических проблем.

Одна из них состоит в том, что в реальных устройствах графен необходимо располагать на подложке, а это подавляет феноменально высокую теплопроводность данного материала, прогнозируемую для идеальной ситуации — свободное парение одноатомного слоя углерода в вакууме. Эта характеристика приобретает все более критическое значение с продолжающимся уменьшением размеров электронных компонентов.

В эксперименте, описанном в бюллетне Proceedings of the National Academy of Sciences, профессор Техасского университета в Остине Ли Ши (Li Shi), измерял теплопроводность графена, последовательно наращивая количество его слоев на подложке из аморфного стекла. Он показал, что даже при 34 слоях графена его теплопроводность оставалась ниже, чем у объемного графита.

Такие результаты побудили Ши к поиску новых способов поддержки графена, включая трехмерные пенообразные композиты графена и сверхтонкого графита (журнал Energy and Environmental Science), или гексагональный нитрид бора, имеющий почти одинаковую с графеном кристаллическую структуру (Applied Physical Letters).

«Одна из наших задач, — объясняет он, — применение графена и других слоистых материалов в гибких электронных устройствах. Они будут создаваться на пластиковых подложках, которые, помимо того, что гибкие, очень плохо проводят тепло».

Выделяющееся при пропускании тока тепло не может эффективно рассеиваться, что ведет к перегреву, размягчению или даже расплавлению пластиковой подложки. При этом ломаются расположенные на ней электронные компоненты и разрываются тонкие проводники. Даже при лучшем исходе, просто сильно разогретый чип будет работать медленнее и потреблять больше энергии.

Ответы на фундаментальные вопросы Ши и его коллеги пытаются получить, изучая зависимость рассеивания фононов (квантованных вибраций атомной решетки, переносящих тепло) от толщины графенового слоя.

Свои наблюдения они подкрепили теоретическими расчетами, выполненными на суперкомпьютере Stampede в вычислительном центре TACC (Texas Advanced Computing Center) Техасского университета.

При поддержке Национального научного фонда (NSF) Ши также исследует дешевые термоэлектрические материалы на базе силицида с перспективой разработки систем утилизации тепловой энергии, выделяемой автомобилями.

Большинство сегодняшних систем теплообмена, по мнению Ши, базируются на устаревших технологиях. Меди и алюминий используются в качестве теплопоглотителей в компьютерах; расплав солей или парафин — как среда хранения в теплоаккумулирующих устройствах. Для термоэлектрического преобразования энергии, теряемой в виде тепла, используются такие материалы, как теллурид висмута или теллурид свинца, которые содержат редкие и токсичные элементы.

«Эти материалы буквально сковывают нас, — заявляет Ши. — Я рассчитываю, что в ближайшее десятилетие будут найдены и внедрены новые материалы, которые заменят эти устаревшие технологии».