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. (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