Sur la photo, une illustration de graphène multicouche supporté sur un substrat de SiO2 amorphe. Sadeghi et al ont découvert que la conductivité thermique du plan basal du graphène multicouche supporté augmente avec l'augmentation de l'épaisseur de la couche et n'a pas encore récupéré la valeur du graphite même lorsque l'épaisseur est augmentée à 34 couches. L'effet est plus prononcé à des températures plus basses. Ils ont attribué la découverte à une diffusion partiellement diffuse des phonons à l'interface support de graphène, en particulier la transmission diffuse des phonons à travers l'interface, ainsi qu'un long phonon signifie un libre parcours dans le graphite même le long de la direction du plan transversal. Crédit :Image reproduite avec l'aimable autorisation de Jo Wozniak, Centre de calcul avancé du Texas
Graphène, une forme d'un atome d'épaisseur du matériau carboné graphite, a été salué comme un matériau merveilleux - fort, léger, presque transparent et un excellent conducteur d'électricité et de chaleur, et il se peut très bien. Mais un certain nombre de défis pratiques doivent être surmontés avant qu'il puisse émerger en remplacement du silicium et d'autres matériaux dans les microprocesseurs et les dispositifs énergétiques de nouvelle génération.
Un défi particulier concerne la question de savoir comment les feuilles de graphène peuvent être utilisées dans des appareils réels.
"Lorsque vous fabriquez des appareils à l'aide de graphène, vous devez soutenir le graphène sur un substrat et cela supprime en fait la conductivité thermique élevée du graphène, " dit Li Shi, professeur de génie mécanique à l'Université du Texas à Austin, dont les travaux sont financés en partie par la National Science Foundation (NSF).
La conductivité thermique est critique en électronique, d'autant plus que les composants rétrécissent à l'échelle nanométrique. Une conductivité thermique élevée est une bonne chose pour les appareils électroniques fabriqués à partir de graphène. Cela signifie que l'appareil peut diffuser la chaleur qu'il génère pour éviter la formation de points chauds locaux. Cependant, dans le cas du graphène, lorsque les matériaux de support nécessaires sont également utilisés, le graphène perd une partie de la conductivité thermique très élevée qui est prédite pour son état idéal lorsqu'il est librement suspendu dans le vide.
Dans un article publié en septembre 2013 dans le Actes de l'Académie nationale des sciences , Shi, avec l'assistant de recherche diplômé Mir Mohammad Sadeghi et le boursier post-doctoral Insun Jo, a conçu une expérience pour observer les effets de la conductivité thermique lorsque l'épaisseur de graphène supporté sur une couche de verre amorphe a été augmentée. Ils ont observé que la conductivité thermique augmentait à mesure que le nombre de couches passait d'une seule couche d'un atome à une épaisseur de 34 couches. Cependant, même à 34 couches, la conductivité thermique n'avait pas récupéré au point où elle était aussi élevée que le graphite en vrac, qui est un excellent conducteur de chaleur.
Ces découvertes conduisent Shi et d'autres à explorer de nouvelles façons de soutenir ou de connecter le graphène au monde macroscopique, comprenant des structures en mousse interconnectées tridimensionnelles de graphène et de graphite ultrafin, ou l'utilisation de nitrure de bore hexagonal, qui a presque la même structure cristalline que le graphène.
"L'un de nos objectifs est d'utiliser du graphène et d'autres matériaux en couches pour fabriquer des dispositifs électroniques flexibles. Et ces dispositifs seront fabriqués sur des substrats en plastique, qui sont flexibles, mais ont également une très faible conductivité thermique, " expliqua Shi. " Lorsque vous faites passer du courant dans les appareils, beaucoup d'entre eux échouent. La chaleur ne peut pas être dissipée efficacement, donc ça devient très chaud et ça fait juste fondre le substrat."
La fonte n'est pas le seul problème. Au fur et à mesure que les températures augmentent, le substrat polymère flexible peut devenir un matériau fondu et caoutchouteux qui brise les matériaux électroniques construits sur le dessus et provoque la défaillance facile des minuscules fils conducteurs des appareils électroniques.
"En général, une puce chaude n'est pas bonne pour les appareils, " dit Shi. " Les transistors commuteront plus lentement et nécessiteront plus de puissance. "
Shi explore les propriétés physiques des matériaux à base de graphène depuis plus d'une décennie. Il est co-auteur d'un article de 2001 dans Lettres d'examen physique qui a rapporté la première mesure de conductivité thermique élevée dans des nanotubes de carbone individuels, un cousin du graphène. Il est également co-auteur d'un article de 2010 dans Science qui a fourni un aperçu critique de la conductivité thermique et du transport thermique dans le graphène monocouche supporté sur un substrat.
Shi essaie de répondre à des questions fondamentales sur la façon dont les phonons - les vibrations des atomes dans les solides - transportent la chaleur. Les phonons sont comme des électrons ou des photons (particules lumineuses), en ce qu'ils transportent de l'énergie thermique. Cependant, on en sait beaucoup moins sur les phonons parce que leurs effets sont moins apparents à la macro-échelle à laquelle nous vivons.
Micrographie électronique à balayage en fausses couleurs d'une membrane suspendue supportant le graphène. Les flèches rouges indiquent la direction du flux de chaleur. Crédit :Li Shi, L'Université du Texas à Austin
"Cette étude fondamentale nous a permis de comprendre la physique intrinsèque de la diffusion des ondes du réseau, " dit Shi.
Les expériences de Shi ont permis à son équipe de déduire comment les phonons se dispersent en fonction de l'épaisseur des couches de graphène, sur la base d'observations de la variation de la conductivité thermique avec différents nombres de couches.
Pour recueillir ces informations, son équipe a effectué des calculs théoriques à l'aide du supercalculateur Stampede du Texas Advanced Computing Center (TACC), basé à l'Université du Texas à Austin.
Les simulations les ont amenés à mieux comprendre leurs résultats expérimentaux.
« Afin de vraiment comprendre la physique, vous devez inclure des calculs théoriques supplémentaires. C'est pourquoi nous utilisons les supercalculateurs du TACC, " dit Shi. " Quand vous faites une expérience, vous voyez une tendance, mais sans faire les calculs, vous ne savez pas vraiment ce que cela signifie. La combinaison des deux est très puissante. Si tu fais juste l'un sans faire l'autre, vous pourriez ne pas développer la compréhension nécessaire."
La plupart des systèmes thermiques utilisés aujourd'hui sont basés sur des technologies héritées, selon Shi. Le cuivre et l'aluminium servent de matériaux de dissipation thermique dans les ordinateurs; les sels fondus et la cire de paraffine sont utilisés comme moyen de stockage d'énergie dans les dispositifs de stockage thermique ; et pour effectuer une conversion thermoélectrique pour la récupération de la chaleur perdue, nous utilisons des matériaux comme le tellurure de bismuth ou le tellurure de plomb qui contiennent des éléments qui ne sont pas abondants dans la croûte terrestre ou qui ne sont pas respectueux de l'environnement.
"Nous sommes vraiment limités par les matériaux, " Shi a dit. " Pouvons-nous proposer des matériaux plus efficaces pour remplacer les interconnexions en cuivre et les dissipateurs de chaleur en cuivre, ou remplacer les transistors au silicium ? Pouvons-nous développer des isolants thermiquement stables pour des applications telles que la protection incendie ? Je pense que dans 10 ans, de nouveaux matériaux seront découverts et mis en œuvre pour remplacer ces technologies héritées. »
Récemment, il a exploré comment le graphène multicouche peut récupérer une partie de la conductivité thermique élevée qui est perdue lorsque le graphène est placé sur un substrat de verre, et également à la recherche d'autres matériaux cristallins pour supporter le graphène.
Shi et son équipe expérimentent et modélisent de nouveaux supports diélectriques, comme le nitrure de bore, qui a une structure cristalline comparable au graphène. L'espoir est que sa structure cristalline similaire conduira à une meilleure conductivité thermique et à moins de diffusion des phonons lorsqu'ils sont utilisés pour supporter le graphène. Dans un article récent de Lettres Physiques Appliquées , L'équipe de Shi et Steve Cronin de l'Université de Californie du Sud a rapporté leur enquête sur le transport thermique à travers une interface graphène/nitrure de bore. Les résultats suggèrent l'importance d'améliorer la qualité de l'interface afin d'augmenter la conductance de l'interface.
Schéma pour modéliser la diffusion des phonons par frontière dans un ruban de graphène multicouche où la vitesse de groupe et le vecteur d'onde ne sont pas colinéaires en raison de la structure fortement anisotrope. Crédit :Li Shi, L'Université du Texas à Austin
Un autre axe de recherche de Shi porte sur les matériaux pour le stockage de l'énergie thermique. Écrit dans le numéro de décembre 2013 de la revue Sciences de l'énergie et de l'environnement , L'équipe de Shi a montré que les mousses de graphène ultrafines peuvent être utilisées pour augmenter la capacité électrique des dispositifs de stockage thermique en augmentant la vitesse à laquelle la chaleur peut être chargée et déchargée dans les matériaux à changement de phase utilisés pour stocker l'énergie thermique.
« La stabilité accrue du cyclage thermique, et l'applicabilité à une large gamme de matériaux à changement de phase suggère que les composites de mousse de graphite ultra-mince sont une voie prometteuse pour atteindre les objectifs de capacité de puissance élevée d'un certain nombre d'applications de stockage thermique, y compris le chauffage et le refroidissement des bâtiments et des véhicules, récolte solaire thermique, et la gestion thermique du stockage électrochimique de l'énergie et des dispositifs électroniques, " a déclaré Michel Pettes, professeur de génie mécanique à l'Université du Connecticut et co-auteur de l'article.
"C'est le travail fondamental de Shi sur les matériaux nanométriques, y compris le graphène, qui a guidé la conception de matériaux évolutifs qui peuvent bénéficier de la nanostructuration et offrir des avantages sociétaux potentiellement révolutionnaires."
Le fil conducteur de toutes ces recherches est le développement d'une compréhension de la façon dont les vecteurs d'énergie fondamentaux, y compris les électrons, photons, les phonons et les molécules - sont transportés et couplés les uns aux autres dans des matériaux, dit Shi.
"Le professeur Shi a été le pionnier des travaux sur les mesures du transport des phonons à l'échelle nanométrique et a entrepris des mesures sur une gamme de systèmes à l'échelle nanométrique. Il a été parmi les premiers à rapporter des mesures montrant l'effet important d'un substrat sur la réduction de la conductivité thermique dans graphène, " dit Sumant Acheriya, un responsable de programme NSF. « NSF a également soutenu le professeur Shi dans le développement de matériaux thermoélectriques en siliciure à faible coût dans le but de favoriser le développement de la récupération de la chaleur résiduelle des automobiles à base thermoélectrique. Le professeur Shi est un leader dans le domaine du transport de chaleur à l'échelle nanométrique, et je suis ravi que la NSF ait pu soutenir de nombreuses recherches révolutionnaires du professeur Shi. »
Li Shi et l'étudiant diplômé Gabriel Coloyan explorent la germanane, un nouveau matériau qui peut être utile pour les appareils électroniques ou les appareils de conversion d'énergie thermoélectrique. En partenariat avec le groupe de Josh Goldberger à l'Ohio State University, L'équipe de Shi explore les caractéristiques nanométriques du matériau, à la recherche de moyens d'améliorer ses propriétés thermiques et électroniques. Crédit :Aaron Dubrow, Fondation nationale de la science
En plus du programme de procédés de transport thermique de la NSF, Les recherches de Shi ont été soutenues par le Bureau de la recherche navale, le ministère de l'Énergie, l'Office des sciences fondamentales de l'énergie et l'ARPA-E. L'un de leurs projets fait désormais partie de l'effort global du centre de systèmes de nanofabrication pour l'informatique mobile et les technologies énergétiques mobiles (NASCENT), fondée en 2013 et basée à l'Université du Texas à Austin. Le centre de recherche en ingénierie financé par la NSF développe un haut débit, des systèmes de nanofabrication polyvalents et à haut rendement pour faire passer les découvertes nanoscientifiques du laboratoire au marché.
Malgré une longue histoire d'exploration et de conception avec le matériau, Shi ne prétend pas que le graphène sera toujours supérieur aux autres matériaux.
"Mais il a des perspectives d'applications intéressantes, " a-t-il dit. " Et il y a une grande physique impliquée. "
