DOI: https://doi.org/10.1103/9jsm-f2rx
تاريخ النشر: 2026-01-07
المؤلف: Mehrdad Rahimi وآخرون
الموضوع الرئيسي: الخصائص الحرارية للمواد
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في تأثير النانوهيكلة، تحديدًا من خلال شبكة نانوية سداسية، على الخصائص الكهربائية، والحرارية الكهروحرارية، والحرارية للرغوة الجرافينية متعددة الطبقات (بسمك 4-6 نانومتر). تتميز الشبكة النانوية بوجود ثقوب بقطر حوالي 360 نانومتر وعرض عنق يبلغ حوالي 160 نانومتر. باستخدام جهاز يسمح بإجراء قياسات متزامنة للاستجابات الكهربائية والحرارية الكهروحرارية، وجدت الدراسة أن النانوهيكلة تقلل من الموصلية الكهربائية بما يتماشى مع التوقعات الكلاسيكية للوسائط المسامية. ومن الجدير بالذكر أن معامل سيبيك يزيد، مما يؤدي إلى تحسين يزيد عن 40% في أقصى عامل طاقة.
تظهر قياسات الموصلية الحرارية انخفاضًا يقارب ثلاثة أضعاف في الجرافين المعالج بالشبكة النانوية مقارنة بالجرافين النقي، متجاوزة التوقعات الكلاسيكية لماكسويل-يوكن. تشير هذه الفجوة إلى اختلاف أطوال التشتت للإلكترونات والفونونات. تؤكد النتائج على إمكانية النانوهيكلة كأداة قوية لتعديل الخصائص الحرارية الكهروحرارية للمواد ثنائية الأبعاد، مما يسهل فصل المعلمات بفعالية ويعزز تطبيقات تحويل الطاقة وإدارة الحرارة.
مقدمة
تناقش مقدمة هذه الورقة البحثية إمكانية المواد ذات الأبعاد المنخفضة، وخاصة المواد ثنائية الأبعاد (2D) مثل الجرافين، لتعزيز الأداء الحراري الكهروحراري بسبب كثافات حالات الإلكترونات والفونونات الفريدة. يتم تسليط الضوء على الجرافين لقدرته الاستثنائية على الموصلية الكهربائية ($\sigma$) ومعامل سيبيك الكبير ($S$)، الذي يمكن أن يصل إلى حوالي 200 ميكروفولت/كلفن. ومع ذلك، فإن موصلية الحرارة العالية ($k$)، التي تتجاوز 3000 واط/م كلفن عند درجة حرارة الغرفة، تحد من كفاءته كمواد حرارية كهروحرارية. تؤكد الورقة على الجهود الأخيرة لفصل المعاملات الحرارية الكهروحرارية ($k$، $S$، و$\sigma$) من خلال طرق مختلفة، بما في ذلك إنشاء هياكل شبكة الجرافين النانوية (GNNM).
يقترح المؤلفون أن النانوهيكلة، وخاصة من خلال أنماط الثقوب الدورية، يمكن أن تعدل بشكل فعال الخصائص الحرارية الكهروحرارية للجرافين. بينما أظهرت الدراسات السابقة أن أنماط الشبكة النانوية يمكن أن تغير خصائص نقل الشحنة وقد تحول الجرافين من شبه معدن إلى شبه موصل، فقد تم دراسة تأثيرها على الموصلية الحرارية بشكل أكثر شمولاً من تأثيرها على الطاقة الحرارية. تشير التوقعات النظرية إلى أن الثقوب على مقياس ذري يمكن أن تعزز معامل سيبيك، مما قد يصل بالقيم إلى 0.5 مللي فولت/كلفن، عن طريق تصفية الحوامل ذات الطاقة المنخفضة. تهدف هذه الدراسة إلى التحقيق في تأثيرات النانوهيكلة على المعاملات الحرارية الكهروحرارية للجرافين متعدد الطبقات، باستخدام مصفوفة سداسية من الثقوب للتأثير بشكل ضئيل على نقل الشحنة بينما تؤثر بشكل كبير على النقل الحراري. تشير النتائج إلى أن هيكل الشبكة النانوية يؤدي إلى تعزيز الطاقة الحرارية وتقليل ملحوظ في الموصلية الحرارية، مما يوضح فعالية التعديلات الهندسية في التحكم في الخصائص الحرارية الكهروحرارية وفتح الطريق لتقنيات تحويل الطاقة المتقدمة باستخدام المواد ثنائية الأبعاد.
النتائج
تكشف نتائج التوصيف الكهربائي والحراري الكهروحراري للجهاز عن سلوكيات مميزة في مناطق الجرافين (GN) والجرافين المعالج بالشبكة النانوية (GNNM). تشير خصائص التيار-الجهد (I-V) إلى اتجاهات خطية، مع قياسات المقاومة التي تبلغ حوالي 89 أوم لـ GN و394 أوم لـ GNNM، مما يشير إلى وجود اتصالات أومية جيدة. تظهر الموصلية الكهربائية، المستخرجة باستخدام قانون أوم، أن منطقة GNNM لديها موصلية منخفضة بشكل كبير مقارنة بـ GN، مع قيم تتراوح من $0.5 \times 10^6 \, \text{S/m}$ إلى $0.8 \times 10^6 \, \text{S/m}$ لـ GNNM ومن $1.0 \times 10^6 \, \text{S/m}$ إلى $1.6 \times 10^6 \, \text{S/m}$ لـ GN. يُعزى تعديل الموصلية مع جهد البوابة إلى الهيكل المعقد للفرقة للجرافين متعدد الطبقات وتأثير كثافة حامل الشحنة.
تشير قياسات الحرارة الكهروحرارية إلى أن معامل سيبيك ($S$) يتحسن في وجود الهيكل المعالج بالشبكة النانوية، مع قيم قصوى تبلغ حوالي 65 ميكروفولت/كلفن في نظام نقل الإلكترونات لـ GNNM، مقارنة بـ 40 ميكروفولت/كلفن لـ GN. ينتج عن ذلك عامل طاقة ($P_F = S^2 \sigma$) يبلغ حوالي 32 ميكرووات/كلفن² سم لـ GNNM، متجاوزًا 22 ميكرووات/كلفن² سم لـ GN، مما يبرز إمكانية الهندسة المعمارية المعالجة بالشبكة النانوية لتحسين الأداء الحراري الكهروحراري. بالإضافة إلى ذلك، تكشف قياسات الموصلية الحرارية أن الموصلية الحرارية في المستوى لـ GNNM قد انخفضت بحوالي 65% مقارنة بـ GN، مع قيم تبلغ 723 واط/م كلفن لـ GNNM و2016 واط/م كلفن لـ GN. يُعزى هذا الانخفاض إلى نمط الشبكة النانوية، الذي يؤثر بشكل كبير على نقل الفونونات، مما يشير إلى فصل المعاملات الحرارية الكهروحرارية من خلال النانوهيكلة.
المناقشة
في هذا القسم، يوضح المؤلفون تصنيع وتوصيف الأجهزة التي تستخدم الجرافين متعدد الطبقات، مع التركيز بشكل خاص على المناطق النقية (GN) والمعالجة بالشبكة النانوية (GNNM). يتم بناء الأجهزة على ركائز Si/SiO₂، باستخدام نيتريد البورون السداسي (hBN) كفاصل عازل لربط الجرافين بشكل سعة مع بوابة معدنية محلية. تشمل عملية التصنيع تقشير الجرافين ميكانيكيًا، ونقل جاف إلى الركيزة، وتطبيق تقنية النانوهيكلة باستخدام قناع من الألمنيوم يتبعه حفر بالبلازما. تم تحسين أبعاد الهياكل النانوية للحفاظ على الخصائص الإلكترونية للجرافين، مع ملاحظات كبيرة على انخفاض الموصلية الكهربائية كلما انخفض عرض العنق.
تتم دراسة الخصائص الكهربائية والحرارية الكهروحرارية لمناطق GN وGNNM تحت ظروف فراغ عالية، بعد عملية تلدين في الموقع لتحسين جودة الواجهات. تكشف القياسات عن تحسين ملحوظ في معامل سيبيك للجرافين المعالج بالشبكة النانوية، مما يؤدي إلى زيادة تزيد عن 40% في أقصى عامل طاقة. بالإضافة إلى ذلك، تشير قياسات الموصلية الحرارية باستخدام الانعكاس الحراري المعدل (MTR) إلى انخفاض في الموصلية الحرارية بحوالي ثلاثة أضعاف لـ GNNM مقارنة بالجرافين النقي، مما يبرز آليات التشتت المميزة للإلكترونات والفونونات في المواد النانوية. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن النانوهيكلة هي استراتيجية فعالة لضبط الخصائص الحرارية الكهروحرارية للمواد ثنائية الأبعاد، مما يمهد الطريق لتطبيقات متقدمة في تحويل الطاقة وإدارة الحرارة.
DOI: https://doi.org/10.1103/9jsm-f2rx
Publication Date: 2026-01-07
Author(s): Mehrdad Rahimi et al.
Primary Topic: Thermal properties of materials
Overview
This research investigates the impact of nanostructuring, specifically through a hexagonal nanomesh, on the electrical, thermoelectric, and thermal properties of multilayer graphene (4-6 nm thick). The nanomesh features holes with a diameter of approximately 360 nm and a neck width of about 160 nm. Utilizing a device that allows simultaneous measurements of electric and thermoelectric responses, the study finds that nanomeshing reduces electrical conductivity in alignment with classical predictions for porous media. Notably, the Seebeck coefficient increases, leading to a more than 40% enhancement in the maximum power factor.
Thermal conductivity measurements reveal a nearly threefold reduction in the nanomeshed graphene compared to pristine graphene, exceeding classical Maxwell-Eucken predictions. This discrepancy indicates differing scattering lengths for electrons and phonons. The findings underscore the potential of nanostructuring as a powerful technique for engineering the thermoelectric properties of two-dimensional materials, facilitating effective decoupling of parameters and advancing energy conversion and thermal management applications.
Introduction
The introduction of this research paper discusses the potential of low-dimensional materials, particularly van der Waals (vdW) two-dimensional (2D) materials like graphene, to enhance thermoelectric performance due to their unique electron and phonon densities of states (DOS). Graphene is highlighted for its exceptional electrical conductivity ($\sigma$) and significant Seebeck coefficient ($S$), which can reach approximately 200 µV/K. However, its high thermal conductivity ($k$), exceeding 3000 W/m K at room temperature, limits its efficiency as a thermoelectric material. The paper emphasizes recent efforts to decouple the thermoelectric coefficients ($k$, $S$, and $\sigma$) through various methods, including the creation of graphene nanomesh (GNNM) structures.
The authors propose that nanostructuring, particularly through periodic hole patterns, can effectively modify the thermoelectric properties of graphene. While previous studies have shown that nanomesh patterns can alter charge transport properties and potentially transform graphene from a semimetal to a semiconductor, the impact on thermal conductivity has been more extensively studied than on thermopower. Theoretical predictions suggest that atomic-scale holes can enhance the Seebeck coefficient, potentially reaching values up to 0.5 mV/K, by filtering low-energy carriers. This study aims to investigate the effects of nanostructuring on the thermoelectric coefficients of multilayer graphene, utilizing a hexagonal array of holes to minimally affect charge transport while significantly influencing thermal transport. The findings indicate that the nanomesh structure leads to enhanced thermopower and a notable reduction in thermal conductivity, demonstrating the effectiveness of geometric modifications in controlling thermoelectric properties and paving the way for advanced energy conversion technologies using 2D materials.
Results
The results of the electric and thermoelectric characterization of the device reveal distinct behaviors in the graphene (GN) and nanomeshed graphene (GNNM) regions. The current-voltage (I-V) characteristics indicate linear trends, with resistances measured at approximately 89 Ω for GN and 394 Ω for GNNM, suggesting good ohmic contacts. The electrical conductivities, extracted using Ohm’s law, show that the GNNM region has significantly reduced conductivity compared to GN, with values ranging from $0.5 \times 10^6 \, \text{S/m}$ to $0.8 \times 10^6 \, \text{S/m}$ for GNNM and from $1.0 \times 10^6 \, \text{S/m}$ to $1.6 \times 10^6 \, \text{S/m}$ for GN. The modulation of conductivity with gate voltage is attributed to the complex band structure of multilayer graphene and the influence of charge carrier density.
Thermoelectric measurements indicate that the Seebeck coefficient ($S$) is enhanced in the presence of the nanomeshed structure, with maximum values of approximately 65 µV/K in the electron transport regime for GNNM, compared to 40 µV/K for GN. This results in a power factor ($P_F = S^2 \sigma$) of about 32 µW/K² cm for GNNM, surpassing the 22 µW/K² cm for GN, highlighting the potential of nanomeshed geometries for improving thermoelectric performance. Additionally, thermal conductivity measurements reveal that the in-plane thermal conductivity of GNNM is reduced by approximately 65% compared to GN, with values of 723 W/m K for GNNM and 2016 W/m K for GN. This reduction is attributed to the nanomesh patterning, which significantly affects phonon transport, indicating a decoupling of thermoelectric parameters through nanomeshing.
Discussion
In this section, the authors detail the fabrication and characterization of devices utilizing multilayer graphene, specifically focusing on the pristine (GN) and nanomeshed (GNNM) regions. The devices are constructed on Si/SiO₂ substrates, employing hexagonal boron nitride (hBN) as a dielectric spacer to capacitively couple the graphene to a local metallic gate. The fabrication process includes mechanical exfoliation of graphene, dry transfer onto the substrate, and the application of a nanomeshing technique using an aluminum mask followed by plasma etching. The dimensions of the nanostructures are optimized to maintain the electronic properties of the graphene, with significant reductions in electrical conductivity observed as the neck width decreases.
The electrical and thermoelectric properties of the GN and GNNM regions are characterized under high vacuum conditions, following an in-situ annealing process to enhance the quality of the interfaces. The measurements reveal a notable enhancement in the Seebeck coefficient for the nanomeshed graphene, leading to a more than 40% increase in the maximum power factor. Additionally, thermal conductivity measurements using modulated thermoreflectance (MTR) indicate a reduction in thermal conductivity by nearly a factor of three for the GNNM compared to pristine graphene, highlighting the distinct scattering mechanisms for electrons and phonons in nanostructured materials. Overall, the findings suggest that nanostructuring is an effective strategy for tuning the thermoelectric properties of 2D materials, paving the way for advanced applications in energy conversion and thermal management.