החומר גרפן, בעל עובי של אטום יחיד, שומר על המוליכות הגבוהה שלו גם לאחר קיבועו למצע – שלב הכרחי בהעברתו של החומר מרמת המעבדה לרמת ניצולו כרכיב שימושי בשלל התקנים ננו-אלקטרוניים, כך מדווחים חוקרים בכתב-העת המדעי Science.
צוות המהנדסים והפיסיקאים התיאורטיים מאוניברסיטת אוסטין (טקסס), הקולג’ של בוסטון והוועדה הצרפתית לאנרגיה אטומית מדווח כי שכבה דקיקה ביותר של אטומי פחמן – שנלקחה מהחומר התלת-מימדי גרפיט – מסוגלת להוליך חום טוב כפליים יותר מאשר שכבות דקות של נחושת ופי חמישים טוב יותר מאשר שכבות דקות של צורן (סיליקון).
מאז גילויו בשנת 2004, נחשב החומר גרפן כחומר מבטיח לתעשיית האלקטרוניקה בזכות יתרונותיו: ניידות אלקטרונים טובה, חוזק מכאני ומוליכות חום. מאפיינים אלו חיוניים עבור התקנים אלקטרוניים הנעשים קטנים יותר ויותר, דבר המציב בפני מהנדסים את הבעיה הבסיסית של שימור ההתקנים בטמפרטורה נמוכה מספיק לשם קבלת פעילות יעילה דיה.
המחקר מקדם את ההבנה לגביי גרפן כמועמד מבטיח להרחקת חום מ”נקודות חמות” הנוצרות במרווחים ההדוקים שבין רכיבי האלקטרוניקה הננומטרים והמיקרומטרים המצויים בהתקנים חשמליים. מההיבט התיאורטי, צוות המחקר גילה גם כיצד זורם החום בתוככי הגרפן.
בצורת תרחיף, לגרפן יש מוליכות חום גבוהה ביותר של 5000-3000 ואטים/מטר/ קלווין. אולם, עבור יישומים מעשיים, הסריג המוצק של גרפן מחובר למצע כלשהו. צוות המחקר גילה כי לגרפן מקובע עדיין יש מוליכות חום ברמה של 600 ואטים/מטר/ קלווין, קרוב לטמפרטורת החדר. רמה זו עולה על מוליכות החום של שכבות דקות של נחושת (250 ואטים) ושל צורן (10 ואטים), המשמשות היום בהתקני אלקטרוניקה.
האובדן במוליכות החום נובע מיחסי-הגומלין של הגרפן עם המצע, המפריע לגלי התנודה של אטומי הגרפן כאשר הם מתנגשים באטומי המצע, כך לדברי אחד מהחוקרים השותפים לכתיבת המאמר, הפרופסור לפיסיקה David Broido.
המסקנה נובעת גם מתוך מודלים תיאורטיים קודמים לגביי הולכת חום בתוככי גרפן חופשי (כתרחיף), מוסיף החוקר. צוות המחקר המשותף בחן מחדש את המודל התיאורטי בכדי לתת הסבר ליכולותיו של הגרפן החופשי.
“כתיאורטיקנים, אנו הרבה יותר רחוקים מההיבט ההנדסי או הפיסי. אנו מתמקדים יותר בהבנת העקרונות הבסיסיים שיוכלו להסביר כיצד מועברת אנרגיה בתוככי יריעת גרפן. לקחנו את המודל התיאורטי עבור גרפן חופשי והרחבנו אותו כך שיוכל להסביר את יחסי-הגומלין המתרחשים בין אטומי הגרפן לאטומי המצע, את השפעתם של יחסים אלו על תנועת החום בתוככי החומר, ובסופו של דבר, על מוליכות החשמל שלו.”
בנוסף לחוזקו הרב, לניידות האלקטרונים בו ולמוליכות החום שלו, גרפן מתאים להתקני טרנזיסטור המורכבים משכבות דקיקות של צורן – מאפיין מכריע ביכולתו לשמש בייצור תעשייתי וזול. להתקנים ננו-אלקטרוניים מבוססי-גרפן יש את היכולת לצרוך פחות אנרגיה, לתפקד בטמפרטורות נמוכות יותר, להיות אמינים יותר ולפעול במהירות רבה יותר מאשר הדור הנוכחי של התקנים מבוססי-צורן או נחושת.
2 תגובות
מעניין אם החומר הזה יכול לשפר את הנצילות ואולי גם להוזיל את המחיר של תאים פוטו וולטאים ובכך להפוך את השימוש בהם למשתלם יותר ביחס לנפט.
זה חומר מדהים שהולך לשנות את תחום האלקטרוניקה לבלי היכר. אני מקווה שיגלו עוד חומרים בדרך שגילו את החומר הזה.