Перенос теплоты в наноструктурах
5
Графену присущи рекордные электрические, тепловые и механи-
ческие свойства. Экспериментальные исследования показали рекорд-
но высокую теплопроводность графена — 4 840….5 300 Вт/(м·K) при
комнатной температуре [6]. Для сравнения: теплопроводность меди
при комнатной температуре равна 400 Вт/(м·K). Перенос теплоты в
графене осуществляется, главным образом, фононами. При макроско-
пических размерах листов из графена тепловой поток в нем определя-
ется законом Фурье, поэтому важно рассчитать теплопроводность
графена. Анализ выполненных работ показывает, что стандартные ме-
тоды расчета теплопроводности, развитые для трехмерных решеток,
при переходе к двумерным образцам требуют существенной модифи-
кации. Применение специально развитого метода — молекулярной
динамики — вызывает принципиальные возражения. Результаты рас-
четов разных авторов различаются более чем на порядок величины [7].
Это говорит о том, что для двумерных структур необходимо развитие
специальных методов расчета переноса теплоты.
При расчете переноса теплоты в микроразмерных образцах сле-
дует учитывать процессы рассеяния фононов на границах. Нанораз-
мерные образцы требуют развития принципиально новых методов.
Свойства двухслойных образцов графена существенно отличаются от
свойств однослойных.
Перенос теплоты в нанотрубках.
Рассматривается перенос теп-
лоты в одностенных длинных нанотрубках вдоль их оси (длина тру-
бок значительно больше длины свободного пробега фононов). Суще-
ственной особенностью нанотрубок является то, что в области низ-
ких температур их теплопроводность пропорциональна температуре
[8]. Это связано с тем, что в одномерных структурах при низких тем-
пературах теплоемкость линейно зависит от температуры, а на длину
свободного пробега и скорость звука температура не влияет.
Теплопроводность в направлении, параллельном оси нанотрубки,
при комнатной температуре составляет 1 750…5 800 Вт/(м·K) [8].
Такой разброс объясняется действием различных факторов: диамет-
ром нанотрубки, ее чистотой, керальностью, характеризующей раз-
личные расположения атомов относительно оси нанотрубки, и т. д.
Теплопроводность нанокомпозитов из нанотрубок, оси кото-
рых перпендикулярны к тепловому потоку, оказывается на пять по-
рядков ниже, чем продольная теплопроводность, составляющая
0,02…0,07 Вт/(м·K) [9].
Перенос теплоты в нанонитях и нанопленках.
Нанонити рас-
сматриваются в качестве материала для использования в квантовых
проволочных транзисторах, квантовых проволочных лазерах, термо-
электрических устройствах и др. Нанопленки могут служить матери-
алом для термоэлектрических устройств, сверхрешеток, зеркал для
нанолитографии и т. п.
