石墨烯中的熱擴散

近日，來自西班牙加泰羅尼亞納米科學(xué)與技術(shù)研究所的Klaas-Jan Tielrooij研究團隊，以《Observation of giant and tunable thermal diffusivity of a Dirac fluid at room temperature》為題在Nature Nnotechnology期刊發(fā)表研究成果，研究者們觀察了擴散和流體力學(xué)狀態(tài)下石墨烯中的熱傳遞，報道了室溫下以載流子溫度和載流子密度為控制開關(guān)的可控向狄拉克流體狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，并介紹了具有飛秒時間和納米空間分辨率的時空熱電顯微鏡技術(shù)來跟蹤電子熱擴散過程。

在擴散區(qū)，熱擴散系數(shù)約為2000cm2s?1，與電荷傳輸?shù)玫降慕Y(jié)果是一致；在動量弛豫之前的流體動力學(xué)時間窗口內(nèi)，熱擴散系數(shù)高達70000cm2s?1，表明這個過程存在狄拉克流體。本研究為進一步探索這些物理現(xiàn)象及其在納米尺度熱管理中的潛在應(yīng)用提供了可能。本文使用六角形氮化硼(HBN)封裝的石墨烯器件，它既用于電學(xué)測量的霍爾棒，也是一個分柵熱電探測器。使用超短激光脈沖，大約有200fs的儀器響應(yīng)時間來產(chǎn)生電子熱，所以能夠在動量松弛發(fā)生之前檢查系統(tǒng)，并測量了大約350fs的動量松弛時間τmr。在流體動力學(xué)窗口期間，狄拉克流體區(qū)域比費米液體區(qū)域和擴散區(qū)域發(fā)生的熱傳播效率要高得多。另外，由于熱電光電電流與入射功率呈亞線性關(guān)系，因此可以通過以不同的頻率f1和f2調(diào)制每束激光束，并解調(diào)熱電電流來隔離這種相互作用的熱流ΔITE。

時空熱電顯微鏡（Spatiotemporal thermoelectric microscopy）和熱擴散機制

隨著|?t|的增加，歸一化信號在空間上進一步擴展，這表明發(fā)生了熱擴散。該空間擴散通過第二矩<Δx2>來量化不同時間延遲方法下的輪廓的寬度，通過對衍射極限輪廓的精確空間采樣來獲得超出衍射極限的空間信息。通過模擬比較顯示，根據(jù)熱擴散方程，模擬的熱擴散和理論的熱擴散的初始斜率是相同的。

熱量傳輸?shù)臅r空跟蹤 研究表明Te/Tf越大，信號越寬，表明熱傳輸速度更快。通過定量比較，擴散區(qū)的計算D約為2000cm2s?1，與擴散區(qū)的定量實驗數(shù)據(jù)一致，在靠近狄拉克點的流體動力窗口中獲得的熱擴散系數(shù)達到100000cm2s?1以上。在室溫下，狄拉克流體區(qū)域的熱擴散系數(shù)比擴散區(qū)域的擴散系數(shù)大近兩個數(shù)量級。

費米液體到狄拉克液體的交叉

本文的結(jié)果表明，與狄拉克流體相關(guān)的物理現(xiàn)象直到最近還沒有得到充分的研究，而狄拉克流體具有巨大的應(yīng)用前景，例如在納米設(shè)備的熱管理方面。在用標準制造技術(shù)制備的系統(tǒng)中，可以使用適度的柵極電壓來開啟和關(guān)閉量子臨界行為。文中引入的光電子技術(shù)（具有提高空間精度和時間分辨率的潛力）將成為更好地理解廣泛的量子材料的熱行為的高效工具，具有巨大的新技術(shù)應(yīng)用前景。

審核編輯 ：李倩