Graphene tinh khiết đồng vị dẫn nhiệt tốt hơn

Sự dẫn nhiệt của graphene phụ thuộc mạnh vào thành phần đồng vị của chất liệu này. Đó là kết luận của các nhà nghiên cứu ở Mĩ và Trung Quốc, họ đã chứng minh rằng graphene chế tạo từ carbon-12 tinh khiết có độ dẫn nhiệt cao hơn nhiều so với graphene bình thường – có chứa khoảng 1% carbon-13. Kết quả trên giúp phát triển một lí thuyết chính xác của sự dẫn nhiệt ở những chất liệu 2D, đồng thời cũng có nghĩa là graphene tinh khiết đồng vị có thể là lí tưởng cho việc làm lạnh những thành phần nhỏ xíu trong các mạch điện tử.

Graphene là một tấm carbon hai chiều chỉ dày một nguyên tử, có nhiều tính chất cơ điện tử độc đáo. Nó là một chất bán dẫn và thường được chào đón là chất thay thế cho silicon làm chất liệu điện tử học trong tương lai, một phần nhờ vào khả năng dẫn nhiệt ngoại hạng của nó. Khi các dụng cụ điện tử ngày một nhỏ hơn, thì nhiệt sinh cục bộ trở thành một vấn đề lớn, và theo phương diện này thì silicon không trụ nổi. Các chất liệu như graphene có độ dẫn nhiệt cao hơn và do đó có thể loại trừ nhiệt tiêu hao như thế này hiệu quả hơn so với các chất liệu như silicon vốn có độ dẫn nhiệt thấp hơn.

Rodney Ruoff (trái) và Shanshan Chen trong phòng thí nghiệm
 

Rodney Ruoff (trái) và Shanshan Chen trong phòng thí nghiệm. (Ảnh: Carol Grosvenor)

Các đồng vị graphene

Hai đồng vị bền của carbon có mặt trong tự nhiên – carbon-12 chiếm khoảng 99% carbon tự nhiên và carbon-13 chiếm khoảng 1%. Những hàm lượng này cũng tìm thấy ở graphene đã chế tạo và nghiên cứu trong phòng thí nghiệm. Nay hai đội nghiên cứu, một đội có thủ lĩnh là Rodney Ruoff thuộc trường Đại học Texas và đội kia dưới quyền Alexander Balandin tại trường Đại học California, Riverside, vừa phát hiện thấy việc loại carbon-13 ra khỏi graphene bình thường làm biến tính mạnh đối với mạng tinh thể của chất liệu trên và làm tăng đáng kể độ dẫn nhiệt của nó.

Nhiệt truyền qua những chất liệu kết tinh như graphene qua con đường những dao động mạng gọi là phonon. Các nguyên tử khối lượng khác nhau làm tán xạ các phonon theo kiểu khác nhau, và do đó các nghiên cứu về sự dẫn điện của graphene theo thành phần đồng vị biến thiên sẽ giúp các nhà vật lí hiểu rõ hơn khối lượng nguyên tử ảnh hưởng như thế nào đến sự truyền nhiệt. “Kết quả của chúng tôi sẽ giúp phát triển một lí thuyết chính xác của sự dẫn nhiệt ở graphene và những tinh thể 2D khác,” Balandin giải thích. “Sự tán xạ đồng vị như thế này dễ mô tả trên lí thuyết hơn so với sự tán xạ gây ra bởi các nguyên tử tạp chất có trong một mẩu, không chỉ khác về khối lượng mà còn khác kích cỡ và nhiều thông số khác,” ông nói.

Độ dẫn tăng gấp đôi

Sử dụng một kĩ thuật laser quang-nhiệt Raman, ban đầu được phát triển trong phòng thí nghiệm của Balandin và sau đó được nhóm Ruoff cải tiến, các nhà nghiên cứu tìm thấy rằng độ dẫn nhiệt của graphene carbon-12 tinh khiết đồng vị (chỉ chứa khoảng 0,01% carbon-13) là cao hơn 4000 Wm–1 K–1 ở nhiệt độ 320 K, trong khi graphene có 1% carbon-13 có độ dẫn 2500 Wm–1 K–1. Độ dẫn nhiệt giảm xuống còn khoảng 2000 Wm–1 K–1 ở những tấm graphene có một nửa carbon-12 và một nửa carbon-13. Để so sánh, đồng nguyên khối, chất thường được sử dụng để làm nguội chip máy tính, có độ dẫn nhiệt khoảng 400 Wm–1 K–1.

Những mẩu graphene đã nghiên cứu được chế tạo bằng sự lắng hơi hóa học diện rộng, cho phép các nhà nghiên cứu tạo ra những vùng màng mỏng với tỉ số carbon-12 trên carbon-13 khác nhau. Điều này có nghĩa là những chỗ có tỉ số đồng vị khác nhau có thể được nghiên cứu trong cùng một lần thực nghiệm.

Khi chiếu một chùm laser lên một vật, một phần năng lượng tới bị phản xạ bởi vật rắn đó, một phần truyền qua nó và phần còn lại bị chất liệu hấp thụ. Các nhà nghiên cứu quan tâm đến phần năng lượng bị hấp thụ vì nó làm chất liệu nóng lên. Các tín hiệu tán xạ Raman có thể tương ứng với sự phát xạ hoặc với sự hấp thụ của một phonon, và tỉ số của hai tín hiệu này có thể dùng để xác định tổng số phonon, cái hóa ra cho biết nhiệt độ của mạng tinh thể.

“Đặc điểm hấp dẫn của kĩ thuật này là sự tăng nhiệt độ ở graphene tương ứng với sự làm nóng bằng laser được đo một cách dễ dàng từ vị trí của các cực đại Raman mà chúng ta đã quan sát,” Balandin nói.

Chất liệu được chọn mới

Kết quả trên có nghĩa là graphene tinh khiết đồng vị nay có thể xem là chất liệu được chọn cho một số ứng dụng điều khiển nhiệt vì những tính chất truyền nhiệt siêu hạng của nó.

Đội nghiên cứu, trong đó có các nhà nghiên cứu ở trường Đại học Hạ Môn ở Trung Quốc, nay đang có kế hoạch lập bản đồ đặc trưng dẫn nhiệt của graphene dưới nhiệt độ phòng.

Balandin cho biết, trong phần việc của ông, hiện tại ông cũng đang bận bịu phát triển một mô tả lí thuyết chính xác của sự tán xạ phonon-đồng vị. “Lí thuyết này sẽ làm sáng tỏ hơn sự truyền phonon 2D,” ông nói.

Nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature Materials.

Hoài Ân – thuvienvatly.com
Theo physicsworld.com

Vui lòng ghi rõ "Nguồn Thuvienvatly.com" khi đăng lại bài từ CTV của chúng tôi.

Nếu thấy thích, hãy Đăng kí để nhận bài viết mới qua email
Tin tức vật lý
Tạo bảng điểm online

Thêm ý kiến của bạn

Security code
Refresh

Các bài khác


Phát hiện sao siêu mới chết đi chết lại nhiều lần
12/11/2017
Nó vừa mới nổ thôi. Hồi tháng Chín 2014, các nhà khoa học phát hiện một ngôi sao đang qua đời  ở giai đoạn nổ lưng
Tìm thấy khoảng trống lớn bên trong Đại Kim tự tháp Giza
11/11/2017
Một khoảng trống lớn vừa được tìm thấy bên trong Đại Kim tự tháp Giza, nhờ tia vũ trụ. Nếu không gian rộng lớn trên
Bom quark giải phóng năng lượng gấp tám lần bom khinh khí
08/11/2017
Hai nhà khoa học vừa công bố cho biết họ đã khám phá một sự kiện hạ nguyên tử mạnh đến mức các nhà nghiên cứu e ngại
Đôi điều về câu chuyện dò tìm sóng hấp dẫn
28/10/2017
Như lí thuyết tương đối rộng của Albert Einstein đã dự đoán vào năm 1916, một vật thể khối lượng lớn như Trái đất làm
Sơ lược từ nguyên vật lí hạt (Phần 6)
17/10/2017
hadron (hadros + on) Người đặt tên: Lev Okun, 1962 Thuật ngữ “hadron” được đặt ra tại Hội nghị Quốc tế về Vật lí Năng
Sơ lược từ nguyên vật lí hạt (Phần 5)
17/10/2017
boson W (weak + boson) Người đặt tên: Lý Chính Đạo và Dương Chấn Ninh, 1960 Là hạt mang lực yếu có mặt trong các tương tác
Chúng ta đã tìm thấy một nửa vũ trụ
15/10/2017
Một nửa lượng vật chất bình thường trong vũ trụ trước đây vắng mặt trong các quan sát mà không ai lí giải được, nay
Giải Nobel Vật Lý 2017 được trao cho việc dò tìm sóng hấp dẫn
09/10/2017
Rainner Weiss, Barry Barish và Kip Thorne chia nhau giải thưởng cho đóng góp của họ ở LIGO. DIVIDE CASTELVECCHI - Nature Ba nhà vật
Vui Lòng Đợi

360 độ

Vật lý 360 độ là trang tin nhanh, trao đổi chuyên đề vật lý và các khoa học khác cũng như các nội dung liên quan đến dạy và học.
Hi vọng các bạn giúp chúng tôi bằng cách đăng kí làm CTV.
Liên hệ: banquantri@thuvienvatly.com