同位素純度大幅提昇石墨烯熱導率
- 上線日期：2012/2/13 上午 12:00:00
- 資料來源：奈米科學網
美國與中國的科學家發現石墨烯(graphene)的熱導率與該材料的同位素組成比例有強烈關聯，在室溫下進行的實驗顯示，純碳12構成的石墨烯導熱率遠高於一般石墨烯(約含1%的碳13)。此結果有助於正確建立二維材料中的熱傳導理論，也顯示純同位素石墨烯可能是微小電路元件的理想散熱材料。
石墨烯是一單原子厚的平面碳材料，由於具有獨特的電子與機械性質，常被認為未來在電子學上可望取代矽。石墨烯不尋常高的熱導率更有助於壯大聲勢，原因是為當電子元件越來越小時，局部發熱(local heating)現象會嚴重降低元件效能，而矽在此方面的表現尤其令人詬病。
自然界中的碳元素有99%是碳12，其餘為碳13；碳13比碳12多一顆中子，因此原子量較大。德州大學的Rodney Ruoff團隊與加州大學河濱分校的Alexander Balandin團隊發現，移除石墨烯中的碳13會劇烈改變材料晶格結構，並大幅提高熱導率。
Balandin表示，此實驗讓他們更瞭解不同質量的原子如何散射聲子(即晶格振盪，可散除廢熱)，有助於發展石墨烯及其他二維材料中的熱傳導理論。同位素散射在理論上比雜質原子散射更容易描述，因為雜質原子除了質量之外，大小等其他參數也不相同。
研究人員利用大面積化學氣相沈積法(large-area chemical vapor deposition)來製備石墨烯樣本，由於樣本上各區塊具有不同的碳12/碳13比值，因此一次實驗就能取得不同同位素比值的數據。他們以自行研發的光熱雷射拉曼技術(optothermal laser Raman technique)進行測量。樣本吸收入射的雷射光能量後，溫度會上升，其拉曼散射訊號對應到聲子的發射或吸收，兩者的比值可用來決定聲子的總數量，進而推知晶格的溫度。
測量結果顯示，純碳12的石墨烯(僅含0.01%的碳13)在320K的熱導率超過4000 W/mK，碳13佔50%的石墨烯熱導率則不到一半，而常用來冷卻電腦晶片的金屬銅則為400 W/mK左右。該團隊(包含中國廈門大學)目前計畫研究低於室溫的石墨烯熱導率特性。詳見Nature Materials (2012)｜DOI:10.1038/nmat3207。
原始網站: http://nanotechweb.org/cws/article/tech/48374
譯者:劉家銘(逢甲大學光電學系)
責任編輯:蔡雅芝
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