Nghiên cứu mới trong tán xạ phonon làm sáng tỏ khả năng graphene thay thế cho bán dẫn silic

Một thách thức lớn liên quan đến vấn đề làm thế nào để các tấm graphene có thể được dùng trong các thiết bị thực tế.

Theo Li Shi, giáo sư Cơ khí Công nghệ Đại học Texas tại Austin cho biết: “Khi chế tạo các thiết bị có sử dụng graphene, chúng ta phải hỗ trợ graphen trên một chất nền và điều đó trên thực tế sẽ cản trở tính dẫn nhiệt cao của graphene”.

Tính dẫn nhiệt rất quan trọng trong các thiết bị điện tử, đặc biệt là các thành phần thu nhỏ cỡ nano. Tính dẫn nhiệt cao là một tính năng tốt cho các loại thiết bị điện tử chế tạo từ graphene. Điều này có nghĩa các linh kiện đó có thể giải tỏa lượng nhiệt mà nó tạo ra để ngăn chặn sự hình thành các điểm nóng chảy tại chỗ. Tuy nhiên, trong trường hợp của graphene, khi phải dùng vật liệu hỗ trợ, nó sẽ mất đi một số tính năng dẫn nhiệt siêu cao như khi nó được treo tự do trong chân không.

Trong báo cáo công bố trong Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học, Li Shi và các đồng nghiệp đã xây dựng một thí nghiệm quan sát các ảnh hưởng liên quan đến khả năng dẫn nhiệt khi độ dày của lớp kính vô định hình hỗ trợ graphene tăng lên.

Họ đã quan sát thấy rằng tính dẫn nhiệt tăng lên khi số lớp cấy lên lớp đơn phân tử lên tới 34 lớp. Nhưng ngay cả ở 34 lớp, tính dẫn nhiệt vẫn chưa bằng khi nó là khối graphite.

Những phát hiện này khiến Shi và các nhà khoa học khác nghiên cứu các cách thức mới  hỗ trợ hay liên kết graphene với thế giới vĩ mô, bao gồm các cấu trúc bọt xốp liên kết ba chiều của graphene và graphite siêu mỏng, hoặc sử dụng nitride boron lục giác, có cấu trúc tinh thể gần giống với graphene.

“Một trong những mục tiêu của chúng tôi là sử dụng graphene và các loại vật liệu phân lớp khác để tạo ra các thiết bị điện tử mềm dẻo”, Shi giải thích. “Và những thiết bị này được tạo ra trên các chất nền plastic mềm và có độ dẫn nhiệt rất thấp. Khi cho dòng điện chạy qua các thiết bị đó, chúng thường bị hỏng. Nhiệt không thể tiêu tán một cách hiệu quả, cho nên nó trở nên rất nóng và làm tan chảy chất nền”.

 “Tóm lại, con chip bị nóng sẽ không tốt cho các thiết bị”, Li Shi cho biết. “Chất bán dẫn sẽ đóng mở chậm hơn và sẽ cần nhiều năng lượng hơn”.

Ông đang nỗ lực tìm ra các câu trả lời cho các vấn đề cơ bản về cách thức truyền nhiệt của phonon-các nguyên tử dao động trong chất rắn. Các phonon giống các hạt electron và photon (hạt ánh sáng), do đó chúng mang nhiệt năng.

“Công trình nghiên cứu cơ bản này cho phép chúng ta có thể hiểu biết bản chất vật lý bên trong sự phân tán của các mạng lưới sóng”, Shi cho biết. Thí nghiệm của Shi đưa nhóm nghiên cứu của ông phỏng đoán được cách thức phonon tán xạ theo độ dày các lớp graphene, dựa trên các quan sát khả năng dẫn nhiệt thay đổi theo số lượng các lớp khác nhau.

Hầu hết hệ thống nhiệt được sử dụng ngày nay đểu dựa trên các công nghệ mang tính kế thừa, Shi cho biết. Đồng và nhôm dùng làm vật liệu tản nhiệt trong máy tính; muối nóng chảy và sáp parafin được sử dụng để tích trữ năng trong các thiết bị lưu trữ nhiệt; và để thực hiện chuyển hóa nhiệt điện để thu hồi nhiệt thải, chúng ta sử dụng các vật liệu như bismuth telluride hoặc telluride than chì chứa các nguyên tố vừa không nhiều trong vỏ Trái đất lại vừa  không thân thiện với môi trường.

Gần đây, nhóm nghiên cứu của Li Shi tìm hiểu cách thức graphene nhiều lớp có thể khôi phục một số tính năng dẫn nhiệt cao bị mất đi khi như graphene được đặt trên chất nền thủy tinh, và cũng nghiên cứu được các loại vật liệu tinh thể khác hỗ trợ graphene.

Hiện Shi và nhóm nghiên cứu đang nghiên cứu và mô hình hóa các chất hỗ trợ điện môi mới, như boron nitride, có cấu trúc tinh thể tương ứng với graphene. Hy vọng rằng cấu trúc tinh thể tương tự của nó sẽ giúp khả năng dẫn nhiệt tốt hơn và ít tán xạ photon khi chúng được sử dụng để hỗ trợ graphene. Trên Tạp chí Applied Physical Letter đã đăng Shi và nhóm nghiên cứu đã công bố về sự truyền nhiệt qua giao diện graphene/boron-nitride. Kết quả nghiên cứu cho thấy tầm quan trọng của việc cải thiện chất lượng giao diện để tăng tính dẫn điện của giao diện.

Một phạm vi nghiên cứu khác của Shi là tìm kiếm các loại vật liệu để lưu trữ nhiệt năng. Bài viết đăng trên Energy and Environmental Science 2013 đã chỉ ra được các bọt xốp graphene siêu mỏng có thể sử dụng để tăng công suất năng lượng cho các thiết bị lưu trữ nhiệt bằng cách tăng tốc độ nạp và xả nhiệt cho các vật liệu chuyển pha dùng lưu trữ nhiệt năng này.