Une feuille de graphène d'une épaisseur d'un atome (mis en évidence dans la fenêtre circulaire) au-dessus d'un support en dioxyde de silicium s'avère être un excellent conducteur thermique, selon une nouvelle étude publiée dans la revue Science. Bien que l'interaction avec le dioxyde de silicium ait supprimé la conductivité thermique du graphène par rapport à sa forme autonome, le graphène supporté a encore démontré une capacité de conduction thermique beaucoup plus élevée que les nanostructures de silicium et de cuivre. Cette découverte, combinée à la force supérieure du graphène et à sa mobilité électronique, en fait un candidat prometteur pour une utilisation dans les dispositifs nano-électroniques de nouvelle génération. Crédit :Université du Texas à Austin
Le graphène, un matériau épais à un seul atome, conserve sa conductivité thermique élevée lorsqu'il est soutenu par un substrat, une étape critique pour faire passer le matériau d'un phénomène de laboratoire à un composant utile dans une gamme de dispositifs nano-électroniques, les chercheurs rapportent dans le numéro du 9 avril de la revue Science.
L'équipe d'ingénieurs et de physiciens théoriciens de l'Université du Texas à Austin, Collège de Boston, et la Commission française de l'énergie atomique rapportent que la feuille ultrafine d'atomes de carbone - extraite du matériau tridimensionnel graphite - peut transférer la chaleur plus de deux fois plus efficacement que les films minces de cuivre et plus de 50 fois mieux que les films minces de silicium.
Depuis sa découverte en 2004, le graphène a été considéré comme un nouveau matériau électronique prometteur car il offre une mobilité électronique supérieure, résistance mécanique et conductivité thermique. Ces caractéristiques sont cruciales à mesure que les appareils électroniques deviennent de plus en plus petits, présentant aux ingénieurs un problème fondamental consistant à maintenir les appareils suffisamment froids pour fonctionner efficacement.
La recherche fait progresser la compréhension du graphène en tant que candidat prometteur pour évacuer la chaleur des « points chauds » qui se forment dans les espaces étroitement liés des appareils construits aux échelles micro et nano. D'un point de vue théorique, l'équipe a également développé une nouvelle vision de la façon dont la chaleur circule dans le graphène.
Lorsqu'il est suspendu, le graphène a une conductivité thermique extrêmement élevée de 3, 000 à 5, 000 watts par mètre par Kelvin. Mais pour des applications pratiques, le grillage ressemblant à du graphène serait attaché à un substrat. L'équipe a découvert que le graphène pris en charge a toujours une conductivité thermique aussi élevée que 600 watts par mètre par Kelvin près de la température ambiante. Cela dépasse de loin les conductivités thermiques du cuivre, environ 250 watts, et silicium, seulement 10 watts, les films minces actuellement utilisés dans les appareils électroniques.
La perte de transfert de chaleur est le résultat de l'interaction du graphène avec le substrat, qui interfère avec les ondes vibratoires des atomes de graphène lorsqu'ils heurtent le substrat adjacent, selon le co-auteur David Broido, professeur de physique au Boston College.
La conclusion a été tirée à l'aide de modèles théoriques antérieurs sur le transfert de chaleur au sein du graphène en suspension, dit Broido. Travaillant avec l'ancien étudiant diplômé de la Colombie-Britannique Lucas Lindsay, maintenant instructeur à l'Université Christopher Newport, et Natalio Mingo du Commissariat français à l'énergie atomique, Broido a réexaminé le modèle théorique conçu pour expliquer les performances du graphène en suspension.
« En tant que théoriciens, nous sommes beaucoup plus détachés de l'appareil ou de l'ingénierie. Nous nous concentrons davantage sur les principes fondamentaux qui expliquent comment l'énergie circule à travers une feuille de graphène. Nous avons pris notre modèle existant pour le graphène en suspension et étendu le modèle théorique pour décrire cette interaction qui a lieu entre le graphène et le substrat et l'influence sur le mouvement de la chaleur à travers le matériau et, finalement, c'est la conductivité thermique."
En plus de sa résistance supérieure, mobilité électronique et conductivité thermique, le graphène est compatible avec les dispositifs à transistors en silicium à couche mince, une caractéristique cruciale si le matériau doit être utilisé à faible coût, production de masse. Les dispositifs nano-électroniques en graphène ont le potentiel de consommer moins d'énergie, fonctionner plus frais et plus fiable, et fonctionnent plus rapidement que la génération actuelle de dispositifs en silicium et en cuivre.
