Warmterectificatie via zwevende asymmetrische grafeen nanomesh

Het is een van de gewenste doelen van de mens dat we het warmtetransport zo nauwkeurig willen regelen als dat we de elektrische stroom kunnen regelen. Een krachtige thermische gelijkrichter of thermische diode ontbreekt echter nog steeds. Momenteel hebben onderzoekers van het Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) een veelbelovend asymmetrisch grafeen nanomesh-apparaat gedemonstreerd dat een hoge thermische rectificatieverhouding bij lage temperaturen vertoont. Het experiment biedt een praktische richtlijn voor het ontwikkelen van een hoogrenderende thermische gelijkrichter op basis van grafeen nanomesh-structuur. De bevindingen zijn gepubliceerd in Nano-futures.

De thermische gelijkrichter werd voor het eerst gedemonstreerd door Starr C. in 1936, waarbij de warmtestroom van de ene richting groter is dan de tegenovergestelde richting, net als bij een elektrische diode. Het conventionele mechanisme in bulkmaterialen is gebaseerd op de verschillende temperatuurafhankelijkheid van de thermische geleidbaarheid in twee verschillende samenstellingsmaterialen. De meeste van de aangetoonde resultaten op basis van dit mechanisme laten echter een lage rectificatieverhouding zien van ongeveer 10 tot 20 procent. Bovendien is het in apparaten op nanoschaal bijna onmogelijk om de thermische geleidbaarheid voor elk onderdeel van een thermische gelijkrichter te kennen. Onder deze voorwaarde is er veel vraag naar een nieuwe strategie om een ​​hoogwaardige thermische gelijkrichter te ontwikkelen.

Een fonon-onderzoeksteam onder leiding van Dr. Fayong Liu en Prof. Hiroshi Mizuta van JAIST, in samenwerking met onderzoekers van het National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), heeft aangetoond dat het fenomeen van thermische rectificatie kan worden waargenomen met een hoge ratio tot 60 procent op zwevende asymmetrische grafeen nanomesh-apparaten bij lage temperaturen (150K en 250K). Ze introduceren grafeen nanomesh als een kunstmatige fononische kristalstructuur op de helft van het oppervlak van het warmtefluxkanaal (Figuur 1). De diameter van de nanoporiën is ongeveer 6 nm en de toonhoogte is 20 nm. Met behulp van de ‘differentiële thermische lekkage’-methode wordt de warmtefluxmeting niet verstoord door lekkage van elektronenstroom door het hangende kanaal. Het onderzoek is gericht op fonon-transporteigenschappen van dit soort nieuwe apparaatstructuur.

“Dit onderzoeksresultaat is een aanzienlijke vooruitgang in de richting van de praktische toepassing van grafeen op thermisch beheer. Het is ook een opmerkelijke mijlpaal voor ons uiteindelijke doel om grafeen toe te passen om een ​​groenere wereld te bouwen”, zegt prof. Hiroshi Mizuta, hoofd van Mizuta Lab. Het Mizuta-lab richt zich op fundamentele fysica en mogelijke toepassingen van op grafeen gebaseerde apparaten. Dit onderzoek biedt een systematische manier om de prestaties van de thermische gelijkrichter te verbeteren en verhoogt ook de mogelijkheid om deze uit te breiden naar toepassingen bij kamertemperatuur.