تحافظ مادة الجرافين، التي يبلغ سمكها ذرة واحدة، على موصليتها العالية حتى بعد تثبيتها على الركيزة - وهي خطوة ضرورية في نقل المادة من مستوى المختبر إلى مستوى الاستفادة منها كمكون مفيد في مجموعة متنوعة من الأجهزة الإلكترونية النانوية، حسبما أفاد الباحثون في مجلة Science العلمية.
أفاد فريق المهندسين والفيزيائيين النظريين من جامعة أوستن (تكساس) وكلية بوسطن وهيئة الطاقة الذرية الفرنسية أن طبقة رقيقة للغاية من ذرات الكربون - مأخوذة من مادة الجرافيت ثلاثية الأبعاد - قادرة على توصيل الحرارة مرتين وكذلك طبقات رقيقة من النحاس وأفضل بخمسين مرة من طبقات السيليكون الرقيقة.
منذ اكتشافها في عام 2004، تعتبر مادة الجرافين مادة واعدة لصناعة الإلكترونيات بفضل مزاياها: حركة الإلكترون الجيدة، والقوة الميكانيكية، والتوصيل الحراري. تعتبر هذه الخصائص ضرورية للأجهزة الإلكترونية التي تصبح أصغر فأصغر، مما يعرض المهندسين للمشكلة الأساسية المتمثلة في إبقاء الأجهزة عند درجة حرارة منخفضة بدرجة كافية للحصول على تشغيل فعال بدرجة كافية.
يعمل البحث على تطوير فهم الجرافين كمرشح واعد لإزالة الحرارة من "النقاط الساخنة" التي تتشكل في المساحات الضيقة بين المكونات الإلكترونية النانومترية والميكرومترية الموجودة في الأجهزة الكهربائية. ومن الجانب النظري، اكتشف فريق البحث أيضًا كيفية تدفق الحرارة داخل الجرافين.
في شكل معلق، يتمتع الجرافين بموصلية حرارية عالية للغاية تبلغ 5000-3000 واط / متر / كلفن. ومع ذلك، بالنسبة للتطبيقات العملية، يتم ربط شبكة الجرافين الصلبة ببعض الركائز. اكتشف فريق البحث أن الجرافين الثابت لا يزال لديه موصلية حرارية تبلغ 600 واط / متر / كلفن، بالقرب من درجة حرارة الغرفة. ويتجاوز هذا المستوى التوصيل الحراري لطبقات رقيقة من النحاس (250 واط) والقصدير (10 واط)، المستخدمة اليوم في الأجهزة الإلكترونية.
ويعود فقدان التوصيل الحراري إلى تفاعل الجرافين مع الركيزة، مما يتداخل مع الموجات التذبذبية لذرات الجرافين عندما تصطدم بذرات الركيزة، وفقًا لأحد الباحثين الذين شاركوا في تأليف المقال، أستاذ الفيزياء. ديفيد برويدو.
ويضيف الباحث أن الاستنتاج مستمد أيضًا من النماذج النظرية السابقة المتعلقة بالتوصيل الحراري داخل الجرافين الحر (كمعلق). أعاد فريق البحث المشترك فحص النموذج النظري لشرح قدرات الجرافين الحر.
"كمنظرين، نحن أبعد بكثير عن الجانب الهندسي أو المادي. نحن نركز أكثر على فهم المبادئ الأساسية التي يمكن أن تشرح كيفية نقل الطاقة داخل ورقة الجرافين. أخذنا النموذج النظري للجرافين الحر وقمنا بتوسيعه حتى يتمكن من تفسير التفاعلات التي تحدث بين ذرات الجرافين وذرات الركيزة، وتأثير هذه العلاقات على حركة الحرارة داخل المادة، وفي النهاية، على موصليتها الكهربائية ".
بالإضافة إلى قوته الكبيرة وحركيته الإلكترونية وموصليته الحرارية، فإن الجرافين مناسب لأجهزة الترانزستور المكونة من طبقات رقيقة من زورن - وهي ميزة حاسمة في قدرته على استخدامه في الإنتاج الصناعي الرخيص. تتمتع الأجهزة الإلكترونية النانوية القائمة على الجرافين بالقدرة على استهلاك طاقة أقل، والعمل في درجات حرارة منخفضة، وتكون أكثر موثوقية وتعمل بشكل أسرع من الجيل الحالي من الأجهزة المعتمدة على السيليكون أو النحاس.
تعليقات 2
ومن المثير للاهتمام أن هذه المادة يمكنها تحسين كفاءة الخلايا الكهروضوئية وربما أيضًا خفض سعرها وبالتالي جعل استخدامها أكثر ربحية مقارنة بالنفط.
إنها مادة مذهلة ستغير مجال الإلكترونيات بشكل لا يمكن التعرف عليه. آمل أن يكتشفوا المزيد من المواد بالطريقة التي اكتشفوا بها هذه المادة.