Forskere kombinerer grafen og kobber i håb om at krympe elektronik

(Phys.org)-Forskere har opdaget, at oprettelse af en "sandwich" med grafen-kobber-grafen stærkt forbedrer kobberens varmeledende egenskaber, en opdagelse, der yderligere kunne hjælpe med nedskalering af elektronik.

Værket blev ledet af Alexander A. Balandin, professor i elektroteknik ved Bourns College of Engineering ved University of California, Riverside og Konstantin S. Novoselov, en professor i fysik ved University of Manchester i Storbritannien. Balandin og Novoselov er tilsvarende forfattere til papiret, der netop er offentliggjort i tidsskriftet Nano bogstaver . I 2010, Novoselov delte Nobelprisen i fysik med Andre Geim for deres opdagelse af grafen.

I forsøgene, fandt forskerne, at tilføjelse af et lag grafen, et et-atom tykt materiale med meget ønskeligt elektrisk, termiske og mekaniske egenskaber, på hver side af en kobberfilm øgede varmeledende egenskaber op til 24 procent.

"Denne forbedring af kobbers evne til at lede varme kan blive vigtig i udviklingen af ​​hybrid kobber - grafenforbindelser til elektroniske chips, der fortsat bliver mindre og mindre, sagde Balandin, som i 2013 blev tildelt MRS -medaljen fra Materials Research Society for opdagelse af usædvanlige varmeledende egenskaber ved grafen.

Hvorvidt kobbers varmeledende egenskaber ville blive bedre ved at lægge den på med grafen er et vigtigt spørgsmål, fordi kobber er det materiale, der bruges til halvlederforbindelser i moderne computerchips. Kobber erstattede aluminium på grund af dets bedre elektriske ledningsevne.

At nedskalere størrelsen på transistorer og sammenkoblinger og øge antallet af transistorer på computerchips har lagt en enorm belastning på kobbers forbindelsesydelse, til det punkt, hvor der er lidt plads til yderligere forbedringer. Af den grund er der en stærk motivation til at udvikle hybridforbindelsesstrukturer, der bedre kan lede elektrisk strøm og varme.

I eksperimenterne udført af Balandin og de andre forskere, de var overraskede over, at forbedringen af ​​de termiske egenskaber ved grafenovertrukne kobberfilm var betydelig på trods af, at grafens tykkelse kun er et atom. Puslespillet blev løst, efter at de indså, at forbedringen er et resultat af ændringer i kobbers nano- og mikrostruktur, ikke fra grafens virkning som en ekstra varmeledende kanal.

Efter at have undersøgt kornstørrelserne i kobber før og efter tilsætning af grafen, forskeren fandt ud af, at kemisk dampaflejring af grafen udført ved høj temperatur stimulerer kornstørrelsesvækst i kobberfilm. De større kornstørrelser i kobber belagt med grafen resulterer i bedre varmeledning.

Derudover forskerne fandt ud af, at varmeledningens forbedring ved at tilføje grafen var mere udtalt i tyndere kobberfilm. Dette er vigtigt, fordi forbedringen skal forbedres yderligere, da fremtidige kobberforbindelser skaleres ned til nanometerområdet, hvilket er 1/1000 af mikrometerområdet.

I fremtiden, Balandin og teamet vil gerne undersøge, hvordan varmeledningens egenskaber ændrer sig i nanometer-tykke kobberfilm belagt med grafen. De planlægger også at udvikle en mere præcis teoretisk model for at forklare, hvordan varmeledningsevne skaleres med kornstørrelserne.