Eine schematische Darstellung einer Graphenschicht, die über einem Graben in einem Substrat angeordnet ist.

Kohlenstoffnanoröhren werden von vielen Wissenschaftlern und Ingenieuren als das Material der Zukunft angepriesen, mit dem Potenzial, elektronische Technologien zu revolutionieren. Eine neue Studie zeigt jedoch, dass Nanoröhren möglicherweise nicht die einzige Form von Kohlenstoff sind, die vielversprechende Ergebnisse verspricht.

Forscher der University of California - Riverside (UCR) entdeckten, dass eine einzelne Schicht von Kohlenstoffatomen, die in einem Wabenmuster angeordnet ist und als Graphen bezeichnet wird, eine weitaus bessere Wärmeleitfähigkeit aufweist als Kohlenstoffnanoröhren. Ihre Ergebnisse öffnen ein neues Fenster für Graphenanwendungen in der Elektronik, bei denen Materialien, die Wärme handhaben können, von entscheidender Bedeutung sind.

Die Ergebnisse der Gruppe werden in einem Artikel in der Online-Ausgabe von Nano Letters vom 20. Februar 2008 beschrieben.

"Mit der stetig abnehmenden Größe elektronischer Geräte gewinnen Materialien, die Wärme effizient leiten können, schnell an Bedeutung", sagte der Hauptautor des Papiers, UCR-Professor für Elektrotechnik, Alexander Balandin, gegenüber PhysOrg.com . „Unsere Arbeit erweitert das Spektrum der Graphenanwendungen als Wärmemanagementmaterial in den Bereichen Optoelektronik, Photonik und Bioingenieurwesen.“

Die Wärmeleitfähigkeit eines Materials wird in den Einheiten W / m • K gemessen und als „Watt pro Meter pro Grad Kelvin“ angegeben. Ein Watt ist eine Leistungseinheit, die einem Joule pro Sekunde entspricht, und ein Grad Kelvin ist eine Temperatureinheit. Das Messgerät ist natürlich eine Entfernungseinheit, da die Wärmeleitfähigkeit auf die Materialdicke normiert ist. Die Wärmeleitfähigkeit definiert, wie gut ein bestimmtes Material Wärme leitet. Beispielsweise beträgt der Wert der Wärmeleitfähigkeit von Silizium, dem wichtigsten elektronischen Material, bei Raumtemperatur etwa 145 W / m • K.

Kohlenstoffnanoröhren haben einen typischen Wärmeleitfähigkeitsbereich von 3000 bis 3500 W / m • K. Diamant, eine andere Form von Kohlenstoff, hat eine Leistung zwischen 1000 und 2200 W / m • K. Das von den UCR-Forschern untersuchte einschichtige Graphen zeigte eine Wärmeleitfähigkeit von bis zu 5300 W / m • K in der Nähe der Raumtemperatur.

„Graphen ist als Wärmemanagementmaterial besonders vielversprechend, da seine hervorragende Wärmeleitfähigkeit durch eine ebene Geometrie und eine gute Integration mit Silizium ergänzt wird“, fügte Balandin hinzu.

Das interdisziplinäre UCR-Team, zu dem Arbeitsgruppen von Professor für Elektrotechnik Balandin und Professor für Physik Chun Ning Lau gehörten, hat die Wärmeleitfähigkeit des Graphens auf unkonventionelle Weise gemessen. Die üblichen kontaktbasierten Methoden zur Messung der Wärmeleitung sind für Graphen nicht geeignet, da es nur ein Atom dick ist. Stattdessen verfolgte die Gruppe einen berührungslosen Ansatz: Sie platzierten eine Graphenschicht auf einem Substrat, aus dem ein Graben herausgeschnitten war, sodass ein Teil der Graphenschicht über dem Graben schwebte. Anschließend streuten sie Laserlicht vom Schwebeteil und maßen die Schwingungsantwort des Graphens mit einer Technik namens Raman-Spektroskopie (eine von mehreren lichtbasierten Methoden zum Erlernen der Materialeigenschaften).

Durch sorgfältige Analyse der Raman-Spektren des Graphens - seiner einzigartigen Reaktion auf das Licht - und der Abhängigkeit der Spektren von der Laserleistung konnte die Gruppe Wärmeleitfähigkeitsdaten extrahieren. Der gesamte Versuchsaufbau ist winzig und der Graben nur drei Mikrometer (Millionstel Meter) breit.

Zitat: Nano Lett. ASAP Article, 10.1021 / nl0731872

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