Un modèle théorique qui explique comment la chaleur s'écoule du graphène pourrait aider à améliorer la conception de dispositifs à l'échelle nanométrique, disent les scientifiques A*STAR.

Le graphène est un cristal de carbone bidimensionnel d'une épaisseur d'un atome seulement. Ce fort, matériau électriquement conducteur est à l'étude pour une vaste gamme d'applications, y compris les appareils électroniques où le graphène est posé sur un substrat tel que la silice. L'utilisation du graphène de cette manière peut créer des appareils beaucoup plus compacts que les composants électroniques conventionnels, mais la petite taille a un coût :le courant électrique circulant dans le graphène peut générer beaucoup de chaleur perdue. Si cette chaleur n'est pas dissipée dans le substrat, cela peut affecter les performances et la longévité d'un appareil.

Zhun-Yong Ong et ses collègues de l'A*STAR Institute of High Performance Computing ont développé le premier modèle théorique qui prédit avec précision le taux de dissipation thermique. Leur étude a exploité l'idée que les vibrations dans le réseau cristallin, appelé phonons, transporter la majeure partie de cette chaleur à travers la frontière, et la flexion de la feuille de graphène affecte le comportement de ces phonons.

Les chercheurs ont utilisé leur théorie pour calculer la dissipation thermique du graphène, et un matériau bidimensionnel apparenté appelé bisulfure de molybdène, en deux types de substrat de silice, à des températures de -268 à plus de 120 degrés Celsius.

Sur la forme plus typique de la silice, un mètre carré de graphène transfère 34,6 mégawatts de puissance thermique pour chaque degré d'élévation de température (34,6 MWK ^-1 m ^-2 ). Lorsqu'une deuxième couche de silice est déposée sur la feuille de graphène, il améliore considérablement le transfert de chaleur vers le substrat en dessous, à 105 MWK ^-1 m ^-2 . Les chercheurs ont observé une tendance similaire dans le bisulfure de molybdène, et suggèrent que la couche supérieure change la façon dont le réseau de graphène vibre. Cela facilite le déplacement des vibrations basse fréquence dans le substrat, emportant de l'énergie thermique avec eux.

"Un transfert de chaleur plus efficace est un avantage pour la prévention de la surchauffe en nanoélectronique, " dit Ong. " D'un autre côté, un chauffage localisé est parfois nécessaire pour des applications telles que les dispositifs de mémoire à changement de phase, et ainsi la diffusion rapide de la chaleur peut être considérée comme indésirable."

La théorie pourrait aider à affiner les interactions entre le graphène et d'autres matériaux, déclare Ong :« Cette compréhension peut nous permettre d'optimiser la structure et les matériaux dans la conception de dispositifs nanométriques 2D, pour une dissipation thermique plus efficace."

Ong a récemment étendu la théorie pour tenir compte de la dissipation thermique de cristaux 2D plus complexes, et continue d'affiner le modèle.