Grafenbaseret film kan bruges til effektiv køling af elektronik

Forskere ved Chalmers Tekniske Universitet har udviklet en metode til effektivt at køle elektronik ved hjælp af grafenbaseret film. Filmen har en varmeledningsevne, der er fire gange så stor som kobber. I øvrigt, grafenfilmen kan fastgøres til elektroniske komponenter lavet af silicium, som favoriserer filmens ydeevne sammenlignet med typiske grafenegenskaber vist i tidligere, lignende eksperimenter.

Elektroniske systemer, der er tilgængelige i dag, akkumulerer meget varme, mest på grund af den stadigt stigende efterspørgsel på funktionalitet. At slippe af med overskydende varme på effektive måder er bydende nødvendigt for at forlænge elektronisk levetid, og vil også føre til en betydelig reduktion i energiforbruget. Ifølge en amerikansk undersøgelse, cirka halvdelen af ​​den energi, der kræves til at køre computerservere, bruges alene til køleformål.

For et par år siden, et forskerhold ledet af Johan Liu, professor ved Chalmers Tekniske Universitet, var de første til at vise, at grafen kan have en kølende effekt på siliciumbaseret elektronik. Det var udgangspunktet for forskere, der forskede i afkøling af siliciumbaseret elektronik ved hjælp af grafen.

"Men de metoder, der hidtil har været på plads, har stillet forskerne over for problemer", Siger Johan Liu. "Det er blevet tydeligt, at disse metoder ikke kan bruges til at fjerne elektroniske enheder fra store mængder varme, fordi de kun har bestået af få lag varmeledende atomer. Når du forsøger at tilføje flere lag grafen, et andet problem opstår, et problem med klæbeevnen. Efter at have øget antallet af lag, grafen vil ikke længere klæbe til overfladen, da vedhæftningen kun holdes sammen af ​​svage van der Waals-bindinger."

"Vi har nu løst dette problem ved at skabe stærke kovalente bindinger mellem grafenfilmen og overfladen, som er en elektronisk komponent lavet af silicium, " fortsætter han.

De stærkere bindinger stammer fra såkaldt funktionalisering af grafen, dvs. tilsætning af et egenskabsændrende molekyle. Efter at have testet flere forskellige tilsætningsstoffer, konkluderede Chalmers-forskerne, at en tilsætning af (3-Aminopropyl) triethoxysilan (APTES) molekyler har den mest ønskede effekt. Når det opvarmes og underkastes hydrolyse, det skaber såkaldte silanbindinger mellem grafenen og den elektroniske komponent (se billede).

I øvrigt, funktionalisering ved hjælp af silankobling fordobler grafenens termiske ledningsevne. Forskerne har vist, at den grafenbaserede films termiske ledningsevne i planet, med 20 mikrometer tykkelse, kan nå en termisk ledningsevneværdi på 1600 W/mK, hvilket er fire gange så meget som kobber.

"Øget termisk kapacitet kan føre til flere nye applikationer til grafen, " siger Johan Liu. "Et eksempel er integrationen af ​​grafen-baseret film i mikroelektroniske enheder og systemer, såsom højeffektive lysemitterende dioder (LED'er), lasere og radiofrekvenskomponenter til køleformål. Grafen-baseret film kunne også bane vejen for hurtigere, mindre, mere energieffektiv, bæredygtig højeffektelektronik."

Resultaterne blev for nylig offentliggjort i det anerkendte tidsskrift Avancerede funktionelle materialer .