Grafeno de una sola capase conoce como el "Rey de los Materiales" debido a su estructura de red de panal bidimensional única y características de banda electrónica, que exhiben un excelente rendimiento en conductividad y conductividad térmica. El siguiente es un análisis detallado de su conductividad y conductividad térmica:
Conductividad
Ultra alta conductividad:
1. La conductividad del grafeno de una sola capa puede alcanzar ~ 10 ⁶ s/m (a temperatura ambiente), excediendo con creces la del cobre (~ 5.9 × 10 ⁷ s/m), pero debido a su grosor extremadamente delgado (0.34 nm), la resistencia a la lámina debe considerarse en aplicaciones prácticas.
2. La resistencia de la superficie es tan baja como ~ 30 Ω/sq (sin dopaje), y puede reducirse aún más a ~ 10 Ω/sq mediante el dopaje químico (como el ácido nítrico).
Características del portador:
1.Miconductor de banda cero: la banda de valencia y la banda de conducción entran en contacto en el punto Dirac, formando una relación de dispersión lineal (la relación E-K es cónica, conocida como el "Cono Dirac").
2. Los portadores de carga son fermiones sin masa con movilidad extremadamente alta (~ 20000 cm ²/(V · s) a temperatura ambiente), que excede con mucho silicio (~ 1400 cm ²/(V · s)).
3. La ruta libre promedio de los electrones puede alcanzar el nivel de micrómetro (cuando hay pocos defectos), y el transporte balístico es significativo en la microescala.
Factores de influencia:
1. Los defectos, las impurezas (como los grupos funcionales de oxígeno) o las interacciones del sustrato pueden reducir las tasas de migración.
2. Cuando aumenta la temperatura, la dispersión de fonones aumenta y la conductividad disminuye ligeramente.
Conductividad térmica
Conductividad térmica ultra alta:
1. La conductividad térmica a temperatura ambiente alcanza ~ 4000-5000 w/(m · k) (para muestras sin defectos suspendidas), que es más de 10 veces mayor que el de cobre (~ 400 w/(m · k)).
2. En la conductividad térmica plana domina, mientras que la conductividad térmica fuera del plano es extremadamente débil (~ 10 w/(m · k)).
Mecanismo de transferencia de calor:
1. Continuamente realizado por fonones (vibraciones de celosía), especialmente los fonones de onda larga dispersan muy poco en una red perfecta.
2. Los fonones ópticos contribuyen menos a la conductividad térmica, pero los fonones de alta frecuencia exhiben una dispersión mejorada a altas temperaturas (> 300 K).
Factores de influencia:
1. La interacción del sustrato (como SIO ₂ sustrato puede reducir la conductividad térmica a ~ 600 w/(m · k)) o defectos (vacantes, dispersión de borde) reduce significativamente la conductividad térmica.
2. Dependencia de la temperatura: a bajas temperaturas, la conductividad térmica aumenta al aumentar la temperatura (la dispersión de fonones del fonón es débil), con un pico que aparece a ~ 100 K y luego disminuye.
| Actuación |
grafeno de una sola capa |
cobre |
silicio |
|
Conductividad (S/M) |
10⁶ |
5.9 × 10⁷ |
10⁻³ - 10³ |
| Conductividad térmica (w/(m · k)) |
4000–5000 |
400 |
150 |
1. Aplicaciones concretas: electrodos flexibles, transistores de alta frecuencia (dispositivos Terahertz), películas conductoras transparentes (reemplazando ITO).
2. Aplicaciones de conducción térmica: materiales de la interfaz térmica, recubrimientos de disipación de calor (como la disipación de calor con chips 5G).
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