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Graphen-hBN-Heterostruktur kann ultraschnelle Wärmeübertragung erreichen

Oct 18, 2019

Das nanothermische Fließen spielt eine wichtige Rolle in modernen elektronischen und optoelektronischen Anwendungen wie Wärmemanagement, photoelektrischer Detektion, Thermoelektrizität und Datenkommunikation. Zweidimensionale Schichtmaterialien beginnen in vielen Anwendungen, ihre Grundposition zu festigen. Van-der-Waals-Kraft-Heterostrukturen bestehen aus zweidimensionalen Materialien mit unterschiedlichen Schichten. Diese Stapel können aus Materialien mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften bestehen, und die Grenzfläche zwischen den Materialien ist sehr sauber und klar.

Mit Unterstützung des EU-Programms "Graphen Flagship" hat das spanische Institut für Photonik eine Van-der-Waals-Heterostruktur hergestellt, die aus zweidimensionalem dielektrischem Material besteht, in hexagonalem Bornitrid eingekapseltes Graphen und die Wärmeübertragung zwischen den Van-der-Waals-Elementen erfolgreich beobachtet und verfolgt Heterostrukturen in Echtzeit. Die Forscher fanden ein überraschendes Phänomen: Anstatt in der Graphenschicht zu bleiben, floss der Wärmestrom zur umgebenden hexagonalen Bornitridschicht. Die Wärmeübertragungszeit außerhalb der Ebene ist in der Größenordnung von Pikosekunden sehr schnell, sodass sie Vorteile gegenüber der Wärmeübertragung innerhalb der Ebene bietet.

Der Wärmeübertragungsprozess wird durch Koppeln des heißen Elektrons, das durch das auf Graphen einfallende Licht angeregt wird, mit dem hyperbolischen Phononenpolariton in der hexagonalen Bornitridschicht realisiert. Diese Phononenpolaritonen breiten sich in der hexagonalen Bornitridschicht genauso aus wie Licht in der optischen Faser, jedoch nur im nanoskaligen Infrarotlicht. Die Ergebnisse zeigen, dass diese singulären hyperbolischen Moden für die Wärmeableitung sehr effektiv sind.

Die Forschungsergebnisse werden einen tiefgreifenden Einfluss auf die Anwendung von Graphen (auch die nächste Generation der Graphen-Anwendungsplattform) auf der Basis von hexagonalen Bornitrid-Verpackungen haben. Insbesondere wird diese Technologie eine Richtung für den Entwurf von optoelektronischen Bauelementen vorgeben, um den Wärmefluss voll auszunutzen.

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