Samlet grafenfilm viser højere termisk ledningsevne end grafitfilm

Forskere ved Chalmers Tekniske Universitet, Sverige, har udviklet en grafen-samlet film, der har over 60 procent højere varmeledningsevne end grafitfilm – på trods af at grafit blot består af mange lag grafen. Grafenfilmen viser et stort potentiale som et nyt varmespredende materiale til formfaktordrevet elektronik og andre højeffektdrevne systemer.

Indtil nu, forskere i grafenforskningsmiljøet har antaget, at grafensamlet film ikke kan have højere termisk ledningsevne end grafitfilm. Enkeltlags grafen har en varmeledningsevne mellem 3500 og 5000 W/mK. Hvis du sætter to grafenlag sammen, så bliver det teoretisk set grafit, da grafen kun er et lag grafit.

I dag, grafit film, som praktisk talt er nyttige til varmeafledning og spredning i mobiltelefoner og andre strømforsyninger, har en termisk ledningsevne på op til 1950 W/mK. Derfor, den grafensamlede film bør ikke have højere varmeledningsevne end dette.

Forskere ved Chalmers Tekniske Universitet har for nylig ændret denne situation. De opdagede, at den termiske ledningsevne af grafen-samlet film kan nå op til 3200 W/mK, hvilket er over 60 procent højere end de bedste grafitfilm.

Professor Johan Liu og hans forskerhold har gjort dette gennem omhyggelig kontrol af både kornstørrelse og stablingsrækkefølgen af ​​grafenlag. Den høje varmeledningsevne er et resultat af stor kornstørrelse, høj fladhed, og svag mellemlagsbindingsenergi af grafenlagene. Med disse vigtige funktioner, fononer, hvis bevægelse og vibration bestemmer den termiske ydeevne, kan bevæge sig hurtigere i grafenlagene frem for at interagere mellem lagene, hvilket fører til højere varmeledningsevne.

"Dette er virkelig et stort videnskabeligt gennembrud, og det kan have en stor indflydelse på transformationen af ​​den eksisterende grafitfilmfremstillingsindustri", siger Johan Liu.

Desuden, forskerne opdagede, at grafenfilmen har næsten tre gange højere mekanisk trækstyrke end grafitfilm, når 70 MPa.

"Med fordelene ved ultrahøj varmeledningsevne, og tynd, fleksibel, og robuste strukturer, den udviklede grafenfilm viser et stort potentiale som et nyt varmespredningsmateriale til termisk styring af formfaktordrevet elektronik og andre højeffektdrevne systemer", siger Johan Liu.

Som en konsekvens af uendelig miniaturisering og integration, ydeevnen og pålideligheden af ​​moderne elektroniske enheder og mange andre højeffektsystemer er stærkt truet af alvorlige termiske spredningsproblemer.

"For at løse problemet, varmespredende materialer skal have bedre egenskaber, når det kommer til varmeledningsevne, tykkelse, fleksibilitet og robusthed, at matche den komplekse og meget integrerede natur af strømsystemer", siger Johan Liu. "Kommercielt tilgængelige termiske ledningsevne materialer, som kobber, aluminium, og kunstig grafitfilm, vil ikke længere opfylde og tilfredsstille disse krav. "

IP'en for fremstillingsprocessen af ​​høj kvalitet for grafenfilmen tilhører SHT Smart High Tech AB, et spin-off selskab fra Chalmers, som kommer til at fokusere på kommercialiseringen af ​​teknologien.

Fremstillingsmetoden for grafenfilmen er baseret på samtidig dannelse og reduktion af grafenoxidfilm, på aluminiumsunderlag, adskillelse af tørboblefilm, efterfulgt af højtemperaturbehandling samt mekanisk presning. Disse forhold muliggør dannelsen af ​​grafenfilmen med stor kornstørrelse, god atomopstilling, tyndfilm struktur, og lav mellemlagsbindingsenergi. Alle disse funktioner har stor fordel for overførsel af både højfrekvente diffusive fononer og lavfrekvente ballistiske fononer, og derved føre til forbedring af in-plane termisk ledningsevne af grafenfilmen. Fononer er kvantepartikler, der beskriver et materiales varmeledningsevne.

Papiret, "Tilpasning af de termiske og mekaniske egenskaber ved grafenfilm ved konstruktionsteknik, " er offentliggjort online i det videnskabelige tidsskrift Lille .