Ученые выяснили, что тепло распространяется в графене и других "плоских" материалах в виде тепловых волн

Тепло и графен


Управление потоками тепла является одной из достаточно больших проблем в современной электронике. Для отвода излишков тепла используют радиаторы, вентиляторы, водяное охлаждение и другие, более сложные системы. Но, постоянно увеличивающаяся плотность монтажа радиоэлектронных компонентов и более высокие частоты работы полупроводниковых приборов делают современные чипы настолько горячими, что для их эффективного охлаждения требуются совершенно новые решения.

Графен, форма углерода, кристаллическая решетка которого имеет толщину в один атом, обладает множеством уникальных свойств, что делает этот материал весьма перспективным с точки зрения применения его в электронике будущего. А чрезвычайно высокая удельная теплопроводность графена позволяет рассматривать его в качестве материала для высокоэффективных систем охлаждения нового класса. Исследователи из Швейцарского федерального политехнического университета Лозанны (Swiss Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, EPFL) сделали достаточно большой шаг в этом направлении, изучив в доскональности процесс переноса тепла в графене и в других плоских материалах, который в корне отличается от аналогичного процесса в обычных материалах.

Оказывается, что тепловая энергия в графене переносится в виде волн, подобно тому, как звук распространяется в воздухе или в другой среде. "Наши расчеты показывают, что транспорт тепла в графене и в других плоских материалах, в том числе и в тех, которые еще не были изучены, описывается волновыми процессами и соответствующими функциями" - объясняет Андреа Чепеллотти (Andrea Cepellotti), одна из исследователей, - "Это - чрезвычайно важная информация для инженеров, которые получили возможность приспособить дизайн будущих электронных компонентов под особенности свойств двухмерных материалов".

В обычных трехмерных материалах тепло переносится при помощи колебаний атомов в кристаллической решетке. Колеблющиеся атомы объединяются в группы, которые формируют своего рода квазичастицы, именуемые фононами. Фононы могут сталкиваться друг с другом, объединяться, расщепляться и такое их поведение, зависящее от особенностей структуры каждого материала, ограничивает удельную теплопроводность этого материала. Исключением являются температуры, близкие к абсолютному нулю (ниже -200 градусов Цельсия), в этих условиях фононы двигаются упорядоченным образом и тепло переносится абсолютно без потерь.

В двухмерных материалах процесс переноса тепла осуществляется совершенно по-иному. Даже при комнатной температуре тепло передается без рассеивания и потерь, и происходит это из-за волнового явления, получившего название "вторичный звук" (second sound). Явление вторичного звука обуславливает то, что колебания абсолютно всех фононов, даже удаленных на очень большое расстояние, всегда находятся в одной и той же фазе. И даже при взаимодействии отдельных фононов они не подавляют и не рассеивают друг друга.

"Созданные нами математические модели, основанные на базовых физических принципах, демонстрируют, что листы материалов одноатомной толщины ведут себя при комнатной температуре таким образом, как и обычные материалы при сверхнизких температурах" - рассказывает Андреа Чепеллотти, - "И этот необычайный эффект можно и надо использовать при создании систем охлаждения электроники следующих поколений".




Ключевые слова:
Тепло, Графен, Углерод, Кристаллическая, Решетка, Атом, Колебания, Фонон, Фаза, Сопротивление, Температура

Первоисточник

Другие новости по теме:
  • Ученые нашли новый способ эффективного отвода и рассеивания тепла в электро ...
  • Графен, "украшенный" литием, становится сверхпроводником
  • Исследователи обнаружили новый материал для создания высокоэффективных сист ...
  • Разработана эффективная технология охлаждения полупроводников с помощью лаз ...
  • Ученые получили новую форму графена, обладающую магнитными свойствами.

  • Элитное постельное белье купить.


    16 марта 2015 12:35
    #1 Написал: Zerger

    Публикаций: 0
    Комментариев: 776
    странно что никто раньше это свойства в двумерных материалах не замечал, свойство то хорошее, но количество переносимого тепла из за одноатомной толщины будет не велико, если конечно не делать "пирог" из графена (графено-радиатор).


    --------------------
        
    16 марта 2015 22:33
    #2 Написал: beany85

    Публикаций: 0
    Комментариев: 1018
    Цитата: Zerger
    если конечно не делать "пирог" из графена

    Скорее всего ничего не получится, имхо, так как слоеный графен это тот же графит, который уже далеко не двумерный.

    Может графен и не будет эффективен при передаче огромного колличества тепла, например, используя его как радиатор к процессору, но при этом он может себя найти как теплоотвод внутри того же проца, перенося тепло от центра к краям, таким образом распределяя равномерно тепло по всей плоскости кристалла...


    --------------------
        
    17 марта 2015 22:29
    #3 Написал: smpdv

    Публикаций: 0
    Комментариев: 51
    beany85
    Думаю, вы не правы. Алюминиевая болванка, и алюминиевая болванка пропиленная множество раз вдоль одной из плоскостей - абсолютно разные алюминиевые болванки в плане отвода тепла :) С графеном, думаю, тот же самый пример абсолютно адекватен.
        
    18 марта 2015 10:02
    #4 Написал: Zerger

    Публикаций: 0
    Комментариев: 776
    beany85, ну да, в общем то согласен, но хочу уточнить что под "пирогом" я имел ввиду графен-(другой одноатомный материал)-графен-...


    --------------------
        

    Информация

    Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии к данной публикации.