Les chercheurs ont trouvé un moyen inattendu de contrôler la conductivité thermique des matériaux bidimensionnels (2-D), qui permettra aux concepteurs électroniques de dissiper la chaleur dans les appareils électroniques qui utilisent ces matériaux.

Les matériaux 2-D ont une structure en couches, avec chaque couche ayant des liaisons fortes horizontalement, ou "en avion, " et des liaisons faibles entre les couches, ou "hors de l'avion". Ces matériaux ont des propriétés électroniques et chimiques uniques, et tenir la promesse d'une utilisation dans la création flexible, mince, appareils électroniques légers.

Pour nombre de ces applications potentielles, il est important de pouvoir dissiper efficacement la chaleur. Et cela peut être délicat. Dans les matériaux 2D, la chaleur est conduite différemment dans le plan et hors du plan.

Par exemple, dans une classe de matériaux 2D, appelés TMD, la chaleur est conduite à 100 watts par mètre par Kelvin (W/mK) dans l'avion, mais à seulement 2 W/mK hors plan. Cela lui donne un "rapport d'anisotropie thermique" d'environ 50.

Pour mieux comprendre les propriétés de conduction thermique des matériaux 2D, une équipe de chercheurs de la North Carolina State University, l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign (UI) et le Toyota Research Institute of North America (TRINA) ont commencé à expérimenter le bisulfure de molybdène (MoS2), qui est un TMD.

Les chercheurs ont découvert que, en introduisant du désordre dans le MoS2, ils pourraient modifier considérablement le rapport d'anisotropie thermique.

Les chercheurs ont créé ce trouble en introduisant des ions lithium entre les couches de MoS2. La présence des ions lithium fait deux choses simultanément :elle désaligne les couches du matériau 2D les unes par rapport aux autres, et il oblige le MoS2 à réorganiser la structure de ses atomes composants.

Lorsque le rapport des ions lithium au MoS2 a atteint 0,34, la conductivité thermique dans le plan était de 45 W/mK, et la conductivité thermique hors du plan est tombée à 0,4 W/mK, augmentant le rapport d'anisotropie thermique du matériau de 50 à plus de 100. En d'autres termes, la chaleur est devenue plus de deux fois plus susceptible de voyager en avion le long de la couche, plutôt qu'entre les couches.

Et c'était aussi bon que possible. L'ajout de moins d'ions lithium a réduit le rapport d'anisotropie thermique. L'ajout de plus d'ions l'a également réduit. Mais dans les deux cas, le ratio a été affecté de manière prévisible, ce qui signifie que les chercheurs ont pu régler la conductivité thermique et le rapport d'anisotropie thermique du matériau.

"Ce résultat était très contre-intuitif, " dit Jun Liu, professeur adjoint d'ingénierie mécanique et aérospatiale à NC State et auteur co-correspondant d'un article décrivant le travail. "La sagesse conventionnelle a été que l'introduction de désordre dans n'importe quel matériau réduirait le rapport d'anisotropie thermique.

"Mais d'après nos observations, nous pensons que cette approche de contrôle de la conductivité thermique s'appliquerait non seulement à d'autres TMD, mais aux matériaux 2D plus largement, " dit Liu.

« Nous avons entrepris de faire progresser notre compréhension fondamentale des matériaux 2D, et nous avons, " Liu ajoute. " Mais nous avons également appris quelque chose qui sera probablement d'une utilité pratique pour le développement de technologies utilisant des matériaux 2D. "