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科学家用石墨烯热运动产生电流,有望开发出取代低功耗电池的芯片

时间:2021-03-14 16:52:54

导读


据美国阿肯色大学官网近日报道,该校的一支物理学家团队成功开发出一种能够捕捉石墨烯热运动并将其转化为电流的电路。

背景

2004年,英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·盖姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃消洛夫(Konstantin Novoselov)成功分离出一种由单层碳原子组成的蜂窝状结构材料:石墨烯(graphene)。

(图片来源:Tatiana Shepeleva/Shutterstock)

石墨烯在力学、电学 、光学 、热学等方面具有许多优异特性,享有“新材料之王”的美誉。从理论上讲,石墨烯是最薄、最硬、强度最高的材料,硬度超过钻石,强度超过钢铁,还具有很好的柔性。其导热性能高于碳纳米管和金刚石。常温下的电子迁移率超过纳米碳管或硅晶体,电阻比铜或银更低。

创新

近日,美国阿肯色大学的一支物理学家团队成功开发出一种能够捕捉石墨烯热运动并将其转化为电流的电路。

(图片来源:阿肯色大学)

这项探索性研究的首席研究员、物理学教授保罗·蒂巴多(Paul Thibado)表示:“基于石墨烯的能量采集电路可以整合到芯片中,为小型设备或感测器提供干净、无限的低压电源。”

该研究成果发表在《物理评论E》(Physical Review E)杂志上,证明了物理学家三年前在阿肯色大学所开发的理论,即独立的石墨烯(单层碳原子)以某种方式被褶皱和弯曲,从而有望采集能量。

保罗·蒂巴多手持能量采集芯片的原型。(图片来源:Russell Cothren)

技术

从石墨烯中采集能量的想法过去有过争议,因为它违反了物理学家理查德·费曼(Richard Feynman)的著名断言,即原子称为布朗运动的热运动不会起作用。蒂巴多的团队发现,室温下石墨烯的热运动实际上会在电路中引起交流电,这一成就过去被认为是不可能的。

二十世纪五十年代,物理学家莱昂·布里渊(Léon Brillouin)发表了一篇具有里程碑意义的论文,驳斥了在电路中添加单个二极管(单向电门)能从布朗运动中采集能量的想法。基于这一点,蒂巴多的研究小组用两个二极管构建了他们的电路,将交流电转换为直流电。通过让二极管处于相反位置使电流可以双向流动,他们提供了通过电路的独立路径,从而产生脉冲式直流电,这个电流可以在负载电阻上运行。

此外,他们发现这项设计增加了传递的功率数量。蒂巴多表示:“我们还发现,二极管的通断、开关状行为实际上放大了所传递的功率,而不是像以前所认为的那样降低了功率。二极管提供的电阻变化率为功率增加了一个额外的因素。”

该团队采用了一个相对较新的物理领域来证明二极管增加了电路的功率。物理学副教授、论文作者之一的普拉蒂普·库马尔(Pradeep Kumar)表示:“在证明这种功率增强的过程中,我们从随机热力学这一新兴领域中汲取了经验,并拓展了近百年历史的著名的奈奎斯特理论。”

库马尔认为,石墨烯与电路具有共生关系。尽管热环境在负载电阻上起作用,但石墨烯与电路的温度相同,热量不在两者之间流动。

蒂巴多表示,这是一个重要的区别,因为在产生功率的电路中,石墨烯与电路之间的温差,将与热力学第二定律相抵触。他说:“这意味着没有违反热力学第二定律,也没有必要争论"麦克斯韦妖"正在分离热电子和冷电子。”

该团队还发现,石墨烯的相对较慢的运动会在低频条件下引发电路中的电流,从技术角度来看这一点很重要,因为电子器件在较低频率下会更有效地发挥作用。

蒂巴多解释道:“人们可能认为,电阻中流动的电流会导致其发热,而布朗电流不会。实际上,如果没有电流流动,电阻会冷却下来。我们所做的是重新调整电路中电流的流动路径,并将其转化为有用的东西。”

团队下一个目标是判断直流电是否可以存储在电容器中供以后使用,这个目标需要将电路小型化,并在晶圆或者芯片上刻画图案。如果数百万个这样的微型电路能在1毫米乘1毫米的芯片上构造,那么它们有望取代低功耗电池。


石墨烯、能量、芯片

【1】P. M. Thibado, P. Kumar, Surendra Singh, M. Ruiz-Garcia, A. Lasanta, L. L. Bonilla. Fluctuation-induced current from freestanding graphene. Physical Review E, 2020; 102 (4) DOI: 10.1103/PhysRevE.102.042101

【2】https://researchfrontiers.uark.edu/physicists-build-circuit-that-generates-clean-limitless-power-from-graphene/