(Phys.org) —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. 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 idéalisé 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, 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 de 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 appareils électroniques flexibles, " expliqua Shi. " Et ces appareils seront fabriqués sur des substrats en plastique, qui sont flexibles, mais ont également une très faible conductivité thermique. 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.

"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) de l'Université du Texas à Austin. Stampede est financé par la National Science Foundation (NSF) par le biais du prix ACI-1134872.

Les simulations les ont amenés à mieux comprendre leurs résultats expérimentaux.

"Pour vraiment comprendre la physique, vous devez inclure des calculs théoriques supplémentaires. C'est pourquoi nous utilisons les supercalculateurs du TACC, " dit Shi. " Quand tu fais 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 ni abondants dans la croûte terrestre ni 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, Shi 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 pour augmenter la conductance de l'interface.

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, " dit Pette.

Le fil conducteur de toutes ces recherches est le développement d'une compréhension de la façon dont les vecteurs énergétiques fondamentaux, y compris les électrons, photons, phonons et molécules, sont transportés et couplés les uns aux autres dans des matériaux.

"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, " dit Sumant Acharya, un agent de programme dans le programme des procédés de transport thermique à la NSF. "He was among the first to report measurements showing the important effect of a substrate on thermal conductivity reduction in graphene."

The NSF has also supported Shi on the development of low-cost silicide thermoelectric materials with the intent of fostering the development of thermoelectric-based waste heat recovery from automobiles.

"Professor Shi is a leader in the field of nano-scale heat transport, and I am pleased that the NSF has been able to support many of Professor Shi's groundbreaking research, " Acharya said.

Despite a long history exploring and designing with the material, Shi doesn't claim graphene will always be superior to other materials.

"It has exciting prospects for applications, " he said. "And there's great physics involved."