Una superred GMGMG de grafeno y MoS₂ con una conductividad térmica efectiva menor que la del aire

Por Francisco R. Villatoro, el 24 julio, 2021. Categoría(s): Ciencia • Física • Nanotecnología • Noticias • Physics • Science

Tras el «nuevo récord de conductividad térmica ultrabaja» (LCMF, 21 jul 2021) publicado en Science, me he encontrado un preprint con un nuevo récord (que auguro se publicará en Nature). Una superred GMGMG de grafeno (G) y MoS₂ (M) con una conductividad térmica efectiva (= grosor/resistencia) en la dirección transversal < 0.02 W/(K m), es decir, menor que la del aire seco ~0.026 W/(K m) a 1 atm y 300 K. Estas heteroestructuras de van de Waals y, en general, los nanomateriales con conductividad térmica ultrabaja podrían tener aplicaciones en nanoelectrónica, fotónica y conversión de energía. Por desgracia, su fabricación a escala industrial está a décadas vista, así que por ahora solo tienen interés en ciencia básica.

El enfoque experimental ha sido combinatorio, estudiar las nueve combinaciones G, GG, MG, GGG, GMG, GGMG, GMGG, GMMG y GMGMG, nanofabricadas de forma no controlada (como ilustra la figura) en la Stanford Nanofabrication Facility (SNF). En el grafeno monocapa (G) el transporte de calor es balístico (los fonones se comportan como partículas); este comportamiento desaparece al añadir una monocapa de disulfuro de molibdeno (M). Las simulaciones por dinámica molecular de la transferencia de calor transversal en una bicapa GM con separación variable muestran que un incremento un 1.5 % en la separación entre capas incrementa en un 100 % la resistencia térmica. Así se predice que al añadir capas la superred tendrá una conductividad térmica ultrabaja. Y se ha confirmado que con cinco capas, superred GMGMG, la conductividad térmica transversal efectiva es menor que la del aire. Aquí la palabra «efectiva» es la clave, ya que el concepto de conductividad térmica a secas es quisquilloso en estos nanodispositivos.

El artículo es Aditya Sood, Charles Sievers, …, Eric Pop, «Engineering thermal transport across layered graphene-MoS2 superlattices,» arXiv:2107.10838 [cond-mat.mes-hall] (22 Jul 2021). Debo confesar que las superredes (o heteroestructuras) de van der Waals son un tema que me interesa especialmente; pero hay continuos avances y me es imposible hacerme eco de todos; mi sesgo a la hora de seleccionar algunos de ellos no debería influir en valoración sobre los grandes avances en este área de la nanotecnología.

La dificultad de estudiar las propiedades de los nanomateriales bidimensionales es doble, por un lado la nanofabricación y por otro lado la caracterización mediante nanosondas. Para la fabricación de los prototipos se ha usado deposición química de vapor (CVD) para crecer capas continuas de grafeno y parches triangulares de MoS₂ sobre un sustrato de SiO₂ (con un grosor de 90 nm) sobre una oblea de silicio (Si); como ilustran las imágenes por microscopia electrónica de transmisión de alta resolución (HRTEM) de los prototipos muestran regiones con diferentes superredes (GGG, GGMG, GMGG y GMGMG en la figura que  abre esta pieza).

Para caracterizar la conductividad térmica transversal se ha usado la microscopia por termorreflectancia en el dominio del tiempo (TDTR), que usa una sonda óptica; el prototipo se recubre por una capa de aluminio de 80 nm de grosor que absorbe los fotones de prueba y los convierte en calor que se difunde sobre la superred. Los pulsos de prueba a 532 nm con una frecuncia de 82 MHz; estos pulsos se obtienen haciendo pasar por un cristal óptico no lineal para la generación del segundo armónico los pulsos de ~9 ps de un láser a 1064 nm. Con un nanosonda se obtiene un mapa de la resistencia eléctrica transversal (R2D) en la superficie del dispositivo (véase las figura que abre esta entrada).

Para determinar la composición de cada píxel en la imagen se usa una técnica basada en el tiempo de retraso del pulso óptico reflejado. Esta técnica permite diferenciar las diferentes estructuras transversales de la superficie del prototipo (G, GG, GMG, GMMG, etc.). Así se correlacionan los mapas de la resistencia R2D con el material correspondiente. Los resultados (véase la figura que abre esta pieza, a la derecha) muestran que los dispositivos G, GG y GGG tienen una resistencia térmica muy similar (como se espera para la transferencia de calor por transporte cuasi-balístico de fonones). Se estima RGG < 4 m² K/(G W), similar a la del grafito a temperatura ambiente ≈ 3 m² K/(G W), y RMM ≈ 26 m² K/(G W), en buen acuerdo con estudios previos. Además, la heterounión GM es más resistiva que las homouniones GG y MM; en concreto, se estima RGM ≈ 37 m² K/(G W), valor consistente con las simulaciones por dinámica molecular. Finalmente, destaca que el orden de las capas de la superred influye poco, así RGMGGRGGMGRGMG.

En resumen, un nuevo trabajo de récord en nanotermofísica que no nos debe engañar; la conductividad térmica efectiva en una superred de unas pocas capas bidimensionales no es lo mismo que la conductividad térmica en un material tridimensional. A pesar de ello, me parece un trabajo que nos recuerda que las heteroestructuras de van der Waals basadas en grafeno también tienen propiedades térmicas extraordinarias; así, sus futuras aplicaciones en nanotecnología son muy prometedoras, pero no olvidemos que todavía quedan muy lejos.



Deja un comentario