Grafeno de camada únicaé conhecido como o "rei dos materiais" devido à sua estrutura de treliça bidimensional de favo bidimensional e características da banda eletrônica, que exibem excelente desempenho em condutividade e condutividade térmica. A seguir, é apresentada uma análise detalhada de sua condutividade e condutividade térmica:
Condutividade
Ultra alta condutividade:
1.A condutividade do grafeno de camada única pode atingir ~ 10 ⁶ s/m (à temperatura ambiente), excedendo em muito o de cobre (~ 5,9 × 10 ⁷ s/m), mas devido à sua espessura extremamente fina (0,34 nm), a resistência das folhas precisa ser considerada em aplicações práticas.
2.A resistência à superfície é tão baixa quanto ~ 30 Ω/sq (sem dopagem) e pode ser reduzida ainda mais para ~ 10 Ω/sq por doping químico (como o ácido nítrico).
Características da transportadora:
1. Zonero BandGap Semiconductor: A banda de valência e a banda de condução entram em contato no ponto Dirac, formando uma relação de dispersão linear (o relacionamento E-K é cônico, conhecido como "cone Dirac").
2.Os transportadores de carga são férmions de Dirac sem massa com mobilidade extremamente alta (~ 20000 cm ²/(v · s) à temperatura ambiente), excedendo em muito o silício (~ 1400 cm ²/(v · s)).
3. O caminho livre médio dos elétrons pode atingir o nível do micrômetro (quando há poucos defeitos) e o transporte balístico é significativo na microescala.
Fatores de influência:
1. Defeitos, impurezas (como grupos funcionais de oxigênio) ou interações de substrato podem reduzir as taxas de migração.
2. Quando a temperatura aumenta, a dispersão do fônon aumenta e a condutividade diminui ligeiramente.
Condutividade térmica
Condutividade térmica ultra alta:
1.A condutividade térmica à temperatura ambiente atinge ~ 4000-5000 W/(M · K) (para amostras sem defeito suspenso), o que é mais de 10 vezes o de cobre (~ 400 W/(M · K)).
2. No plano, a condutividade térmica domina, enquanto a condutividade térmica plana é extremamente fraca (~ 10 W/(M · K)).
Mecanismo de transferência de calor:
1.Mainly conduzido por fônons (vibrações de treliça), especialmente os fônons de ondas longas se espalham muito pouco em uma treliça perfeita.
2. Os fônons ópticos contribuem menos para a condutividade térmica, mas os fônons de alta frequência exibem espalhamento aprimorado em altas temperaturas (> 300 K).
Fatores de influência:
1.A interação do substrato (como o substrato SiO ₂ pode reduzir a condutividade térmica a ~ 600 W/(M · k)) ou defeitos (vagas, dispersão de borda) reduzem significativamente a condutividade térmica.
2. Dependência da temperatura: a baixas temperaturas, a condutividade térmica aumenta com o aumento da temperatura (a dispersão do fônon do fonão é fraca), com um pico aparecendo a ~ 100 K e depois diminuindo.
| Desempenho |
grafeno de camada única |
cobre |
silício |
|
Condutividade (s/m) |
10⁶ |
5,9 × 10⁷ |
10⁻³ - 10³ |
| Condutividade térmica (w/(m · k)) |
4000-5000 |
400 |
150 |
1. Aplicações de condução: eletrodos flexíveis, transistores de alta frequência (dispositivos terahertz), filmes condutores transparentes (substituindo o ITO).
2. Aplicações de condução térmica: materiais de interface térmica, revestimentos de dissipação de calor (como dissipação de calor de chip 5g).
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