1. Теплопроводность

Строение, особенности связывания и незначительная атомная масса обуславливают высокую теплопроводность различных аллотропных модификаций углерода, включая алмаз, графит и углеродные нанотрубки. Проведенные ранее исследования свободно подвешенного листа графена показали, что и эта модификация углерода отличается высоким значением коэффициента теплопроводности (К). Определенная для «подвешенного» графена теплопроводность составляла около 5000 Вт/(м*К), что в 2.5 раза больше, чем у прежнего «рекордсмена по коэффициенту теплопроводности» – алмаза. Тем не менее, наиболее вероятно, что при использовании графен будет находиться в контакте с другими материалами.

Для измерения коэффициента теплопроводности в условиях контакта с другими материалами Джае Хун Сол (Jae Hun Seol), Ли Ши (Li Shi) и Родни Руофф (Rodney S. Ruoff) из Университета Техаса разработали микромасштабный электронный термометр и использовал его для измерения теплопроводных свойств двух образцов. Первоначально были изучены свойства композитного материала, представляющего монослой графена на стандартной подложке – диоксиде кремния, затем графен удалили и изучили теплопроводность оставшейся подложки.

Различие между свойствами двух образцов позволило определить, что коэффициент теплопроводности однослойного графена, нанесенного на подложку (при комнатной температуре) составляет около 600 Вт/(м*К). Это значение почти на порядок ниже теплопроводности «подвешенного» графена, однако в два и 50 раза выше теплопроводности применяющихся в современной электронике меди и кремния, соответственно.

Для лучшего понимания различия между термическими свойствами «подвешенного» графена и графена на подложке исследователи изучили две этих системы с помощью компьютерного моделирования. Было обнаружено, что отсутствие стерического соответствия между графеном и подложкой приводит к тому, что фотоны, образующиеся в результате колебаний решетки графена, могут «стекать» в твердую подложку, таким образом понижая коэффициент теплопроводности.

2. Подвижность

Нулевая масса носителей заряда графена обусловливает их исключительно высокую подвижность – параметр, определяющий способность электронов и дырок в металлах и полупроводниках реагировать на внешнее воздействие и характеризующий пригодность материала для применения в современной электронике. Согласно измерениям рассеяния акустических фотонов графена, выполненных группой ученых под руководством А.Гейма и К.Новоселова, впервые сумевших в 2004 году получить графен, предельное значение подвижности носителей в этом материале при комнатной температуре и плотности носителей 1012 см^-2 составляет 20 м²/В·с. (Подвижность носителей в кремнии составляет 0,15 м²/В·с, в широко используемом арсениде галлия – 0,85 м²/В·с.) Соответствующее значение удельной проводимости слоя графена составляет 10-6 Ом·см. Однако при измерении подвижности носителей графена, нанесенного на слой двуоксида кремния, рассеяние электронов фотонами подложки приводит к снижению значения подвижности до 4 м²/В·с, что тем не менее по-прежнему больше, чем у кремния и полупроводниковых соединений. При повышении температуры подвижность падает. Это связано с тем, что графен не представляет собой идеально плоский лист и имеет рифленую поверхность.

При повышении температуры морщины и выпуклости графена начинают вибрировать, что замедляет движение электронов. Сейчас ведутся работы по получению свободновисящих пленок графена, что должно увеличить подвижность носителей до 200 м²/В·с. Полученные значения подвижности свидетельствуют о том, что электроны могут перемещаться в графене на большие расстояния баллистически (без столкновений) и при комнатной температуре. Это свойство графена делает его многообещающим материалом будущих наноэлектронных систем.