Figura 1:Ilustração esquemática do dispositivo nanométrico de grafeno assimétrico e dos nanoporos periódicos (nanomesh) fabricados em grafeno suspenso usando tecnologia de feixe de íons de hélio focado de última geração. Crédito:Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia do Japão
É um dos objetivos desejados pelos humanos que queremos controlar com precisão o transporte de calor no nível em que podemos controlar a corrente elétrica. No entanto, ainda falta um retificador térmico ou diodo térmico de alto desempenho. Atualmente, pesquisadores do Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia do Japão (JAIST) demonstraram um promissor dispositivo nanométrico de grafeno assimétrico que mostra uma alta taxa de retificação térmica em baixas temperaturas. O experimento fornece uma diretriz prática para o desenvolvimento de um retificador térmico de alta eficiência baseado em estrutura nanométrica de grafeno. As descobertas são publicadas em
Nano Futures .
O retificador térmico foi demonstrado pela primeira vez por Starr C. em 1936, no qual o fluxo de calor de uma direção é maior que a direção oposta, semelhante a um diodo elétrico. O mecanismo convencional em materiais a granel é baseado na dependência de temperatura diferente das condutividades térmicas em dois materiais de composição diferente. No entanto, a maioria dos resultados demonstrados com base neste mecanismo mostra uma baixa taxa de retificação em torno de 10 a 20 por cento. Além disso, em dispositivos em nanoescala, é quase impossível conhecer as condutividades térmicas de cada parte de um retificador térmico. Sob esta condição, uma nova estratégia para desenvolver um retificador térmico de alto desempenho é altamente exigida.
Uma equipe de pesquisa de fônons liderada pelo Dr. Fayong Liu e Prof. Hiroshi Mizuta do JAIST, em colaboração com pesquisadores do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia Industrial Avançada (AIST), demonstrou que o fenômeno de retificação térmica pode ser observado com uma alta proporção até 60 por cento em dispositivos nanosh de grafeno assimétrico suspenso em baixas temperaturas (150K e 250K). Eles introduzem grafeno nanomesh como uma estrutura de cristal fonônico artificial na metade da área do canal de fluxo de calor (Figura 1). O diâmetro do nanoporo é de aproximadamente 6 nm e o passo é de 20 nm. Com a ajuda do método de 'vazamento térmico diferencial', a medição do fluxo de calor não é perturbada pelo vazamento de corrente de elétrons através do canal suspenso. A pesquisa está focada nas propriedades de transporte de fônons desse tipo de nova estrutura de dispositivo.
"Este resultado da pesquisa é um avanço significativo para a aplicação prática do grafeno ao gerenciamento térmico. Também é um marco notável para nosso objetivo final de aplicar o grafeno para construir um mundo mais verde", diz o Prof. Hiroshi Mizuta, chefe do Mizuta Lab. O laboratório Mizuta está se concentrando em física fundamental e aplicações potenciais de dispositivos baseados em grafeno. Esta pesquisa fornece uma maneira sistemática de melhorar o desempenho do retificador térmico e também levanta a possibilidade de estendê-lo para aplicações em temperatura ambiente.
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