Grafene a livello singoloè noto come il "re dei materiali" grazie alla sua unica struttura reticolare a nido d'ape e caratteristiche di banda elettronica, che presentano eccellenti prestazioni in conducibilità e conducibilità termica. Quello che segue è un'analisi dettagliata della sua conducibilità e conducibilità termica:
Conduttività
Ultra alta conducibilità:
1.La conduttività del grafene a strato singolo può raggiungere ~ 10 ⁶ s/m (a temperatura ambiente), di gran lunga superata quella del rame (~ 5,9 × 10 ⁷ S/m), ma a causa del suo spessore estremamente sottile (0,34 nm), la resistenza al foglio deve essere considerata in applicazioni pratiche.
2. La resistenza superficiale è bassa quanto ~ 30 Ω/sq (senza doping) e può essere ulteriormente ridotta a ~ 10 Ω/sq mediante drogaggio chimico (come l'acido nitrico).
Caratteristiche del vettore:
1. Zero BandGap Semiconductor: la banda di valenza e la banda di conduzione entrano in contatto nel punto di Dirac, formando una relazione di dispersione lineare (la relazione E-K è conica, nota come "cono di Dirac").
2. I portatori di carica sono fermioni di Dirac senza massa con mobilità estremamente elevata (~ 20000 cm ²/(V · s) a temperatura ambiente), superando di gran lunga il silicio (~ 1400 cm ²/(V · s)).
3. Il percorso libero medio degli elettroni può raggiungere il livello del micrometro (quando ci sono pochi difetti) e il trasporto balistico è significativo alla microscopia.
Fattori influenzanti:
1. Defetti, impurità (come gruppi funzionali di ossigeno) o interazioni del substrato possono ridurre i tassi di migrazione.
2.Quando la temperatura aumenta, lo scattering di fononi aumenta e la conducibilità diminuisce leggermente.
Conducibilità termica
Conducibilità termica ultra alta:
1.La conduttività termica a temperatura ambiente raggiunge ~ 4000-5000 W/(m · k) (per campioni liberi di difetto sospeso), che è più di 10 volte quello del rame (~ 400 W/(M · K)).
2.In dominare la conduttività termica del piano, mentre la conduttività termica fuori piano è estremamente debole (~ 10 W/(m · k)).
Meccanismo di trasferimento del calore:
1.Mainly Condotto da Phonons (vibrazioni reticolari), in particolare i fononi a onde lunghe si disperdono molto poco in un reticolo perfetto.
2. I fonetti-ottici contribuiscono meno alla conducibilità termica, ma i fononi ad alta frequenza mostrano una diffusione migliorata ad alte temperature (> 300 K).
Fattori influenzanti:
1. L'interazione del substrato (come il substrato SIO ₂ può ridurre la conducibilità termica a ~ 600 W/(M · K)) o difetti (posti vacanti, scattering del bordo) riduce in modo significativo la conducibilità termica.
2. Dipendenza da temperatura: a basse temperature, la conducibilità termica aumenta con l'aumentare della temperatura (lo scattering fonone di fononi è debole), con un picco che appare a ~ 100 K e quindi diminuendo.
| Prestazione |
grafene a strato singolo |
rame |
silicio |
|
Conducibilità (S/M) |
10⁶ |
5,9 × 10⁷ |
10⁻³–10³ |
| Conducibilità termica (W/(M · K)) |
4000–5000 |
400 |
150 |
1. Applicazioni conduttive: elettrodi flessibili, transistor ad alta frequenza (dispositivi Terahertz), film conduttivi trasparenti (in sostituzione di ITO).
2. Applicazioni di conduzione termica: materiali di interfaccia termica, rivestimenti di dissipazione del calore (come la dissipazione del calore del chip 5G).
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