Grafen, et enkelt lag med karbonatomer arrangert i et todimensjonalt sekskantet gitter, har dukket opp som et av de mest lovende nanomaterialene siden det ble isolert i 2004. Blant de ekstraordinære egenskapene skiller varmeledningsevne seg ut som en nøkkelegenskap som driver forskning og industriell interesse. Grafen-varmefilmer, som består av ett eller flere lag med grafenark, viser varmeledningsevner som langt overgår verdiene til tradisjonelle varmehåndteringsmaterialer som kobber eller aluminium.

Grunnleggende prinsipper for termisk konduktivitet i grafenfilmer

①Krystallstruktur og termiske transportmekanismer

Den eksepsjonelle varmeledningsevnen til grafenfilmer stammer fra deres unike krystallstruktur. I et perfekt grafengitter danner hvert karbonatom sterke kovalente sp²-bindinger med tre tilstøtende atomer, noe som skaper en svært ordnet, plan struktur. Dette atomarrangementet minimerer gittervibrasjoner som sprer varmebærere, kjent som fononer. Fononer er kvantiserte pakker med vibrasjonsenergi som er ansvarlige for termisk ledning i dielektriske og halvledermaterialer, og i grafen dominerer de varmeoverføring på grunn av materialets lave elektron-fonon-kobling ved romtemperatur.

I enkeltlagsgrafen kan fononer bevege seg over lange avstander, opptil flere mikrometer, uten betydelig spredning, et fenomen kjent som ballistisk transport. Denne lange gjennomsnittlige frie veien lar fononer transportere termisk energi effektivt over materialet. Når flere grafenlag stables for å danne en film, kommer interaksjoner mellom lagene, som van der Waals-krefter, inn i bildet, og modifiserer fonondispersjonsforhold og potensielt endrer varmeledningsevnen sammenlignet med enkeltlagsstrukturer.

②Fononmoduser og bidrag til varmeledningsevne

Fononer i grafenfilmer finnes i forskjellige moduser, inkludert akustiske og optiske fononer. Akustiske fononer, som involverer kollektive vibrasjoner i gitteret, er de primære bidragsyterne til termisk ledningsevne på grunn av deres lavere frekvens og høyere gruppehastighet. Innenfor akustiske fononer spiller transversale og longitudinale moduser i planet, så vel som bøyningsmoduser utenfor planet, forskjellige roller. Spesielt longitudinale akustiske fononer viser høye hastigheter og lange gjennomsnittlige frie baner, noe som gjør dem til viktige bærere av termisk energi i grafenvarmefilmer.

Termisk ledningsevne til grafenfilmer påvirkes også av fordelingen av fononenergier. Ved romtemperatur inntar de fleste fononer lavenergitilstander, som korresponderer med vibrasjoner med lang bølgelengde som spres sjeldnere. Denne energifordelingen, kombinert med materialets høye fononhastighet, resulterer i den ultrahøye termiske ledningsevnen som observeres i grafenfilmer av høy kvalitet.

Selv om det å forstå de grunnleggende konseptene legger grunnlaget for å gjenkjenne varmeledningsevnen til grafenlaget, er den faktiske ytelsen avhengig av en rekke praktiske aspekter. Disse elementene, som inkluderer hvordan materialer lages og strukturelle feil, endrer varmeledningsevneverdiene mye. Derfor er det viktig å studere dem for både forskning og applikasjonsutvikling.

Viktige faktorer som påvirker termisk konduktivitet av grafenfilmer

①Materialsyntese og forberedelsesmetoder

Metoden som brukes til å syntetisere grafenfilmer påvirker direkte deres varmeledningsevne. Kjemisk dampavsetning (CVD) er en mye brukt teknikk for å produsere store grafen-varmefilmer. CVD-dyrket grafen viser vanligvis høy krystallinitet, men faktorer som veksttemperatur, forløpergassforhold og substratmateriale kan introdusere defekter. For eksempel kan grafen dyrket på kobbersubstrater ha bedre ensartethet enn det som dyrkes på nikkel, men gjenværende urenheter fra substratet kan redusere varmeledningsevnen.

Mekanisk eksfoliering, metoden som opprinnelig ble brukt til å isolere grafen, produserer filmer av høy kvalitet med minimale defekter, noe som resulterer i svært høye termiske ledningsevner. Denne metoden er imidlertid ikke skalerbar for industrielle applikasjoner. Andre teknikker, som væskefaseeksfoliering og epitaksial vekst, gir filmer med varierende grad av krystallinitet og defekttetthet, noe som direkte påvirker deres termiske transportegenskaper.

②Defekter, urenheter og doping

Defekter i grafenvarmefilmer, inkludert punktdefekter (f.eks. vakanser, substitusjonsatomer), linjedefekter (f.eks. korngrenser) og rynker, fungerer som fononspredere, noe som reduserer varmeledningsevnen. Selv et lite antall defekter kan forkorte fononers gjennomsnittlige frie baner betydelig. For eksempel skaper korngrenser dannet under CVD-vekst, der separate grafendomener slås sammen, områder med uorden som sprer fononer og senker den totale varmeledningsevnen.

Urenheter, som gjenværende løsemidler fra overføringsprosesser eller adsorberte molekyler, bidrar også til fononspredning. Doping, den bevisste introduksjonen av fremmede atomer for å modifisere elektriske egenskaper, kan ha komplekse effekter på varmeledningsevnen. Elektrondoping kan for eksempel forbedre elektron-fononspredning, mens visse dopanter kan introdusere ytterligere defekttilstander, som begge kan redusere varmeledningsevnen.

③Filmtykkelse og lagtall

Antall grafenlag i en film, ofte referert til som lagantall, er en kritisk faktor for å bestemme varmeledningsevnen. Enkeltlagsgrafen viser den høyeste varmeledningsevnen, med rapporterte verdier som overstiger 5000 W/m·K ved romtemperatur under ideelle forhold. Etter hvert som lagantallet øker, avtar varmeledningsevnen generelt på grunn av fononspredning mellom lagene. I dobbeltlagsgrafen varierer for eksempel varmeledningsevnen vanligvis fra 2000 til 4000 W/m·K, avhengig av lagjustering og interaksjonsstyrke.

Tykkelsesvariasjoner utover antall lag, slik som de som er forårsaket av overlappende ark eller ujevn avsetning, kan også påvirke varmeledningsevnen. Tykkere filmer med flere lag kan vise større inhomogenitet, noe som fører til lokaliserte reduksjoner i varmetransporteffektivitet.

Måleteknikker og praktiske anvendelser av grafenfilmens termiske konduktivitet

①Vanlige måleteknikker

Flere eksperimentelle teknikker brukes til å måle varmeledningsevnen til grafenfilmer, hver skreddersydd for forskjellige prøvestørrelser og materialegenskaper. Raman-termometri er en kontaktfri teknikk som utnytter temperaturfølsomheten til grafens Raman-spektrum. Når en laser varmer opp en grafenfilm, beveger G-båndet eller 2D-båndet Raman-toppene seg i en rett linje med temperaturen. Forskere kan finne ut varmeledningsevnen ved å se på dette skiftet og beregne hvordan varme beveger seg bort fra et objekt. Denne metoden er veldig god for å finne ut hvordan varmefilmer med lite areal eller suspendert grafen fungerer.

Kuldebrometoden, også kjent som 3ω-metoden, innebærer å avsette en metallisk varmeovn/termometer på grafenfilmen. En vekselstrøm som går gjennom varmeovnen genererer periodisk oppvarming, og de resulterende temperatursvingningene måles for å bestemme varmeledningsevnen. Denne kontaktbaserte metoden gir høy nøyaktighet for støttede filmer, men krever nøye prøveforberedelse for å sikre god termisk kontakt mellom varmeovnen og filmen.

Andre teknikker inkluderer tidsdomene-termorefleksjon (TDTR), som bruker ultrahurtige lasere til å måle termisk transport over nanoskalaavstander, og suspendert mikroenhetsmetoden, der grafenvarmefilmer er hengt mellom varmekilder og vasker for å minimere substrateffekter. Hver metode gir oss et annet blikk på varmeledningsevnen, og resultatene er vanligvis litt forskjellige på grunn av hvordan målingene ble tatt og kvaliteten på prøvene.

②Termisk styring

Etter hvert som elektroniske enheter fortsetter å krympe i størrelse og øke i effekttetthet, blir effektiv varmespredning avgjørende for å forhindre ytelsesforringelse og feil. Grafen-varmefilmer kan integreres i mikroprosessorer, lysdioder (LED-er) og batterier som termiske grensesnittmaterialer eller varmespredere, noe som forbedrer varmespredningen og forlenger enhetenes levetid.

Nye bruksområder inkluderer termisk styring i energisystemer, som litiumionbatterier, der grafenfilmer kan bidra til å regulere temperaturen under lading og utlading, noe som forbedrer sikkerhet og effektivitet. I tillegg utvikles grafenbaserte termiske kompositter, som kombinerer grafenvarmefilmer med polymerer eller keramikk, for å gi skreddersydd termisk ledningsevne for spesifikke industrielle behov.

Kontakt Shengxihong Science

For avanserte varmeteknologier der innovasjon møter effektivitet, vend deg til Shaanxi Shengxihong Science and Technology Co., Ltd.  Våre grafenbaserte systemer leverer full overflateoppvarming gjennom høy ytelse karbonnanorørfilmer, og oppnår en enestående konverteringsrate på 83 % i fjerninfrarødt og en bransjeledende elektrotermisk konverteringseffektivitet på 99.8 %.

Vi selger et bredt spekter av produkter under merket «Holy Red», inkludert elektriske varmefilmer av grafen, elektriske varmekunstverk, varmeovner, smarte klær og fysioterapidingser som er patentbeskyttet og har immaterielle rettigheter. Disse er støttet av 17 patenter for bruksmodeller av grafen og mer enn 30 priser og sertifiseringer på forskjellige nivåer.

Vi har løsninger som er laget spesielt for deg, enten du trenger komfort i hjemmet, effektivitet i bedriften eller noe annet for et spesifikt industrielt behov. Kontakt at 1315363763@qq.com.

Referanser

• Novoselov, KS, Geim, AK, Morozov, SV, et al. (2004). Elektrisk felteffekt i atomtynne karbonfilmer. Vitenskap, 306 (5696), 666 – 669.
• Balandin, AA, Ghosh, S., Bao, W., et al. (2008). Overlegen varmeledningsevne til enkeltlagsgrafen. Nano Letters, 8 (3), 902 – 907.
• Seol, JH, Jo, I., Moore, AL, et al. (2010). Todimensjonal fonontransport i understøttet grafen. Vitenskap, 328 (5975), 213 – 216.
• Chen, Z., Li, X., Shi, L., et al. (2012). Termisk ledningsevne til grafen og grafenbaserte nanostrukturer. Advanced Materials, 24 (29), 4010 – 4025.
• Zhang, H., Li, X., og Wang, X. (2018). CVD-dyrkede grafenfilmer for termisk håndtering: Syntese, karakterisering og anvendelser. ACS Nano, 12 (5), 4291 – 4308.