Grafenbaserad film för kylning snart redo för försöksproduktion

Svårigheter med att leda bort värmen från olika typer av elektronik och optoelektronik bromsar i dag den vidare utvecklingen av system inom dessa områden. För att åtgärda detta problem har forskare vid Chalmers utvecklat ett effektivt sätt att kyla elektronik genom att använda en film uppbyggd av grafen. Filmens värmeledande egenskaper har sedan kunnat förbättras genom att man tillfört olika molekyler genom så kallad funktionalisering av materialet. Resultaten publiceras idag i den ansedda tidskriften Nature Communications.

– Man kan säga att vi genom denna grafenfilm, som är uppbyggd av många lager av tunna, tunna grafenflagor, hittat en nyckel till hur man på ett effektivt sätt kan transportera bort värme från olika typer av elektronik och andra enheter med hög värmeutveckling. Grafenfilm kan användas för kylning inom många olika områden, och vi närmar oss nu stadiet där vi kan inleda försöksproduktion utifrån den här upptäckten, säger Johan Liu, professor i elektronikproduktion på Chalmers.

Forskarna har studerat hur man på olika sätt kan förbättra filmens värmeledande förmåga genom att tillföra olika aminobaserade och azidbaserade silanmolekyler och har kommit fram till att den värmeledande förmågan kan förbättras med över 76 procent jämfört med ett icke-funktionaliserat referenssystem. Anledningen är framför allt att filmen fäster mycket bättre vid underlaget när den funktionaliserats med hjälp av molekylerna och att värmetransporten därför sker mycket effektivare.

Simuleringar och beräkningar visar också på att funktionaliseringen begränsar gittervibrationerna (fononernas rörelser) vinkelrätt mot planet, vilket leder till att fononernas rörelser i stället ökar inom planet, vilket i sin tur förbättrar filmens värmeledande förmåga. Resultaten kan leda till många nya sätt att hantera kylningen av elektronik.

Forskarna har studerat ett antal molekyler som binds vid gränsytan mot det intilliggande materialet och i grafenplanets kanter där de bildade starka kovalenta bindningar. De undersökte också värmeresistansen i gränsytorna med en metod för att mäta den fototermiska reflektionen, och kunde då visa att funktionaliseringen lett till en förbättrad värmeledningsförmåga.

– Det är första gången man forskat så systematiskt på detta. Det arbete vi utfört nu går längre än de resultat som presenterats tidigare av flera inblandade samarbetspartner. Det täcker in fler funktionaliseringsmolekyler och också mer omfattande mätningar av värmeledningsförmågan, säger Johan Liu.

Bildtext: Funktionalisering förbättrar den värmeledande förmågan hos flagor av grafen. Foto från: Johan Liu. Med tack till: Philip Krantz, Krantz Nanoart.

Fakta om forskningen:
Resultaten publiceras 29 april i artikeln Functionalization mediates heat transport in graphene nanoflakes i den ansedda tidskriften Nature Communications.
DOI: 10.1038/ncomms11281

Forskningen har utförts i samarbete med École Centrale i Paris och EM2C – CNRS i Frankrike, Lancaster University i Storbritannien, University of Minnesota i USA, Max Planck-institutet för polymerforskning i Tyskland, Aalto-universitetet i Finland, Rysslands vetenskapsakademi i Ryssland, Shanghai-universitetet i Kina och SHT Smart High Tech AB som är ett svenskt företag.

För ytterligare information, välkommen att kontakta
Johan Liu, professor i elektronikproduktion vid Chalmers, 031-772 3067, 070-569 3821, jliu@chalmers.se