Le graphène connaît des vagues de chaleur

Dans la course à la miniaturisation des composants électroniques, les chercheurs sont confrontés à un problème majeur: plus les dispositifs sont petits et rapides, plus il est nécessaire de les refroidir. Une des solutions consiste à utiliser des matériaux en deux dimensions à forte conductivité thermique, tels que le graphène, afin d’évacuer la chaleur très rapidement, et ainsi refroidir les circuits.

Or les applications potentielles se heurtent pour l’instant à une question fondamentale : Comment la chaleur se propage-t-elle à l’intérieur de ces feuilles de matériaux épaisses de quelques atomes au plus?

Dans une étude parue dans Nature Communication, une équipe de chercheurs de l’EPFL lève le voile sur les mécanismes de la conductivité thermique au sein du graphène et d’autres matériaux en deux dimensions. Ils ont démontré que la chaleur s’y propageait sous forme de vague, à l’image du son dans l’air. Ce phénomène était resté jusqu’à présent très obscur, et il n’avait pu être observé que dans quelques cas, à des températures proches du zéro absolu. Les nouvelles simulations constituent donc un outil précieux pour les chercheurs qui étudient le graphène, que ce soit pour refroidir des circuits à l’échelle nanométrique, ou lorsqu’il s’agit d’utiliser le graphène pour remplacer le Silicium dans l’électronique de demain.

Une propagation quasi sans pertes
S’il a été si difficile jusqu’à présent de comprendre la propagation de la chaleur dans des matériaux en deux dimensions, c’est que ces feuilles de matériaux se comportent de manière inattendue, par rapport à leurs cousins en trois dimensions. Ils sont en effet capables de transporter de la chaleur pratiquement sans pertes, et ce même à température ambiante.

De manière générale, la chaleur se propage dans les matériaux à travers les vibrations des atomes. Ces vibrations sont appelées des phonons. Lors de la propagation thermique dans un matériau en trois dimensions, les phonons, s’entrechoquent, fusionnent entre eux ou se séparent, ce qui peut limiter la conductivité de la chaleur en cours de route.

La chaleur est donc transportée avec pertes dans les matériaux en trois dimensions. Il est toutefois possible d’observer un transport de chaleur quasi sans pertes lorsque ces matériaux sont placés dans des conditions extrêmes, à des températures proches du zéro absolu (-200°C et au-dessous)

Une vague de chaleur quantique
Il en va tout autrement avec les matériaux en deux dimensions étudiés par les chercheurs de l’EPFL. Leur étude a démontré que la chaleur peut se diffuser pratiquement sans pertes dans un matériau en deux dimension, et ce même à température ambiante, grâce à un phénomène de diffusion par vague, appelé «second sound». Dans ce cas, tous les phonons « marchent » ensemble et à l’unisson sur de très longues distances. «Nos simulation basées sur des principes fondamentaux de physique ont montré que les feuilles de matériaux se comportent, à température ambiante, de la même façon que les matériaux en trois dimensions dans des conditions de froid extrême» explique Andrea Cepellotti, premier auteur de l’étude. «Nous pouvons ainsi indiquer que la conductivité thermique se fait par vague dans le graphène, mais aussi dans d’autres matériaux qui ne font pas encore l’objet d’études. Cela constitue une information très intéressante pour les ingénieurs, qui pourront adapter le design des futurs composants électroniques, en utilisant les nouvelles propriétés de ces matériaux en deux dimensions», ajoute le scientifique.