Les chercheurs ont résolu l'énigme de longue date de la façon dont la frontière entre les grains de graphène affecte la conductivité thermique dans les films minces de la substance miracle, ce qui rapproche les développeurs de la possibilité de concevoir des films à une échelle utile pour refroidir les dispositifs microélectroniques et des centaines d'autres applications nanotechnologiques.

L'étude, par des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Chicago, l'Université du Massachusetts-Amherst et l'Université d'État de Boise, est publié en ligne dans Lettres nano .

Depuis sa découverte, le graphène, une seule couche d'atomes de carbone liés dans un motif de grillage, a suscité un vif intérêt pour sa capacité phénoménale à conduire la chaleur et l'électricité. Pratiquement tous les appareils nanotechnologiques pourraient bénéficier de l'extraordinaire capacité du graphène à dissiper la chaleur et à optimiser la fonction électronique, dit Poya Yasaei, Étudiant diplômé de l'UIC en génie mécanique et industriel et premier auteur de l'article.

En deux ans, enquête pluridisciplinaire, les chercheurs ont développé une technique pour mesurer le transfert de chaleur à travers un joint de grain unique et ont été surpris de constater que c'était un ordre de grandeur 10 fois inférieur à la valeur théoriquement prédite. Ils ont ensuite conçu des modèles informatiques qui peuvent expliquer les observations surprenantes du niveau atomique au niveau de l'appareil.

Les films de graphène pour les applications nanotechnologiques sont constitués de nombreux minuscules cristaux de graphène, dit Amin Salehi-Khojin, Professeur assistant de l'UIC en génie mécanique et industriel et chercheur principal de l'étude. La production de films suffisamment grands pour une utilisation pratique introduit des défauts aux limites entre les cristaux qui composent le film.

L'équipe de Salehi-Khojin a développé un système expérimental finement réglé qui dépose un film de graphène sur une membrane de nitrate de silicium de seulement quatre millionièmes de pouce d'épaisseur et peut mesurer le transfert de chaleur d'un cristal de graphène à un autre. Le système est sensible aux moindres perturbations, comme un joint de grain à l'échelle nanométrique, dit le co-auteur Reza Hantehzadeh, un ancien étudiant diplômé de l'UIC qui travaille maintenant chez Intel.

Lorsque deux cristaux sont soigneusement alignés, le transfert de chaleur se produit exactement comme prédit par la théorie. Mais si les deux cristaux ont des bords mal alignés, le transfert de chaleur est 10 fois moindre.

Pour tenir compte de la différence d'ordre de grandeur, une équipe dirigée par Fatemeh Khalili-Araghi, Professeur assistant de physique UIC et co-chercheur principal sur le papier, conçu une simulation informatique du transfert de chaleur entre les joints de grains au niveau atomique.

Le groupe de Khalili-Araghi a découvert que lorsque l'ordinateur a "construit" des joints de grains avec différents angles de décalage, le joint de grain n'était pas qu'une ligne, c'était une région d'atomes désordonnés. La présence d'une région désordonnée a affecté de manière significative le taux de transfert de chaleur dans leur modèle informatique et peut expliquer les valeurs expérimentales.

"Avec de plus grands angles dépareillés, cette région désordonnée pourrait être encore plus large ou plus désordonnée, " elle a dit.

Pour simuler de manière réaliste des joints de grains non concordants et un transfert de chaleur naturel, il a fallu modéliser la synthèse d'une large zone de film de graphène, avec la croissance et la fusion des grains - une simulation très complexe, Khalili-Araghi a dit, qui nécessitait « l'énorme puissance de calcul » du cluster de calcul haute performance de l'UIC.

"Avec notre simulation, nous pouvons voir exactement ce qui se passe au niveau atomique, " a déclaré le co-auteur Arman Fathizadeh, Chercheur postdoctoral UIC en physique. « Maintenant, nous pouvons expliquer plusieurs facteurs :la forme et la taille des joints de grains, et l'effet du substrat."