Grafeen koelen met elektronen

Het lukt steeds beter om transistoren te verkleinen, maar daardoor ontstaat een probleem met de warmte die zij produceren. Een mogelijk oplossing is koeling met behulp van elektronen, via het zogeheten Peltier effect. Dit gebeurt al met bier, en Ivan Vera Marun, een natuurkundige die verbonden is aan de RUG en de universiteit van Manchester, laat in Nature Communications zien dat het ook kan werken in tweedimensionaal grafeen.

Ivan Vera Marun onderzocht in het lab van Bart van Wees, RUG-hoogleraar Natuurkunde van Nanodevices, de thermo-elektrische eigenschappen van grafeen. Dit is de beroemde tweedimensionale vorm van koolstof. ‘Thermo-elektrische eigenschappen beschrijven de wisselwerking tussen een ladingsstroom en een warmtestroom’, legt Vera Marun uit. Een interessante toepassing is het opwekken van elektriciteit uit een warmteverschil. Maar er is meer mogelijk.

‘Een normale warmtestroom loopt van een hoge naar een lage temperatuur’, zegt Vera Marun. Warmte is feitelijk de sterkte van de trilling van atomen in een materiaal. Vermindering van die trilling betekent afkoeling. Normaal gesproken staat een elektronenstroom elektrische energie af en zorgt zo voor opwarming. ‘Dat noemen we joule-opwarming. Maar er is een andere manier om een materiaal op te warmen, via het Peltier effect’, legt Vera Marun uit.

Trillen

Dit Peltier effect beschrijft hoe een elektronenstroom warmte kan transporteren. Dat gebeurt niet door de atomen aan het trillen te brengen, maar alleen de elektronen. Het kan dan gebeuren dat de atomen ‘kouder’ zijn dan de elektronen die de warmte transporteren. En om het nog gekker te maken: wanneer je de polariteit van de stroom omkeert, verander je ook de richting van het warmtetransport, en kun je dus een materiaal koelen. Dit heet Peltier koeling.

Deze Peltier koeling kun je overigens op iedere camping tegenkomen: alle kleine, elektrische koelboxen werken via dit effect. Maar om aan te tonen dat het ook in een materiaal als grafeen kan optreden is nogal een uitdaging. ‘Grafeen is de beste geleider van zowel stroom als warmte’, zegt Vera Marun. En het wordt gebruikt om hele kleine transistoren en andere elektronische bouwstenen mee te maken. ‘Wat de verdere verkleining van geïntegreerde circuits beperkt is vooral de warmteproductie. Wanneer je steeds meer transistoren op een zelfde oppervlakte plaatst ontstaat er steeds meer warmte. En die moet je kwijt zien te raken, anders smelt de boel.’ Peltier koeling zou daar voor kunnen zorgen.

Vera Marun in zijn Groningse collega’s wilden aantonen dat dit kan. Zij bouwden een schakeling waarin het mogelijk was op een schaal van nanometers de temperatuur te meten, met behulp van thermokoppels. Dit zijn koppelingen van twee verschillende materialen, waarbij een temperatuurverschil tussen de twee zorgt voor het ontstaan van een kleine elektrische spanning.

‘In dit systeem hebben we het Peltier effect inderdaad kunnen meten, en we laten zien dat het mogelijk is te schakelen tussen verwarmen en koelen’, zegt Vera Marun. Het is de eerste keer dat dit in grafeen is aangetoond. ‘Dit kunnen we nu doortrekken naar andere tweedimensionale materialen. En een andere vervolgstap is om te kijken hoe we dit effect kunnen toepassen.’ De resultaten zijn op 10 mei gepubliceerd in Nature Communications.

Nobelprijswinnaars

Het werk voor dit artikel is gedaan in Groningen, maar een jaar geleden is Vera Marun verhuisd naar Manchester, waar hij een aanstelling kreeg als Lecturer in Condensed Matter Physics bij de afdeling van Nobelprijswinnaars Andre Geim en Konstanti Novoselov, de ontdekkers van grafeen.

De weg die naar dit prestigieuze lab leidde begon jaren geleden in Venezuela, waar Vera Marun op de lagere school belangstelling kreeg voor natuurkunde, onder meer door mee te doen aan verschillende Natuurkunde Olympiades. ‘Ik ben zelfs in het nationale team gekomen en deed mee aan de Ibero-American Physics Olympiad.’

Toen hij eenmaal aan de Universidad Simón Bolívar studeerde trad hij op als coach voor nieuwe Olympiade teams. ‘Ik studeerde in eerste instantie elektrotechniek, maar na een tijdje schoof ik steeds meer op richting natuurkunde. Ik vind beide erg interessant.’ Het is dus niet verbazend dat Vera Marun fundamentele natuurkunde heeft gebruikt om een systeem te bouwen dat ooit misschien elektronica op nanoschaal zal koelen.

Referentie: I.J. Vera-Marun, J.J. van den Berg, F.K. Dejene & B.J. van Wees: Direct electronic measurement of Peltier cooling and heating in graphene. Nature Communications 7, 10 mei 2016, doi:10.1038/ncomms11525

Zie ook het persbericht van stichting FOM.