Grafenbaserad film ny mästare i värmeledning
Forskare på Chalmers har utvecklat en film av grafenlager, som har över 60 procent högre värmeledningsförmåga än grafitfilm – trots att grafit enbart består av många lager grafen.
Den grafenbaserade filmen har stor potential för att bli ett nytt värmeledningsmaterial för miniatyriserad elektronik och av andra system med hög effektutveckling, menar forskarna.
Fram tills nu har grafenforskare antagit att grafenbaserad film inte kan ha högre värmeledningsförmåga än grafitfilm. Ett lager av grafen har en värmeledningsförmåga på mellan 3500 och 5000 W/mK. Om man lägger ihop två grafenlager blir de i teorin grafit, eftersom grafen är ett enda lager av grafit.
Borde inte ha högre värmeledande förmåga
Dagens grafitfilmer, som används för att leda bort värme i mobiltelefoner och annan elektronik, har en värmeledningsförmåga på upp till 1950 W/mK. En grafenbaserad film borde därför inte ha högre värmeledningsförmåga än så.
Men en forskargrupp på Chalmers har nu utvecklat en film av flera grafenlager som har det. De har visat att värmeledningsförmågan hos filmen kan nå upp till 3200 W/mK, vilket är drygt 60 procent högre än hos de bästa grafitfilmerna.
Professor Johan Liu och hans forskargrupp har uppnått detta genom noggrann kontroll av både kornstorlek och i vilken ordning grafenlagren placeras. Den höga värmeledningsförmågan är ett resultat av stor kornstorlek, god platthet och svag bindningsenergi mellan grafenlagren.
Högre mekanisk draghållfasthet
På grund av dessa viktiga egenskaper kan fononer, vars rörelser och vibrationer avgör värmeledningsförmågan, röra sig snabbare inom grafenlagren i stället för mellan lagren. Det höjer värmeledningsförmågan.
– Detta är ett viktigt vetenskapligt genombrott, som kan få stor effekt på omställningen inom den existerande grafitfilmsindustrin, säger Johan Liu.
Dessutom har forskarna upptäckt att grafenfilmen har nästan tre gånger högre mekanisk draghållfasthet än grafitfilm – den uppnår 70 MPa.
Tillverkningsmetoden för grafenfilmen baseras på samtidig formning av grafenoxidfilm och reduktion på aluminiumsubstrat, separering av filmen genom torkning, följt av högtemperaturbehandling samt mekanisk pressning. Dessa förhållanden gör det möjligt att forma grafenfilm med stor kornstorlek, god platthet, tunnfilmstruktur och svag bindningsenergi mellan grafenlagren. Dessa egenskaper hos grafenfilm har stor påverkan på rörelse av högfrekventa difussiva fononer och lågfrekventa ballisitiska fononer. Detta leder därför till förbättring av värmeledningsförmåga i grafenfilm i plan. Fononer är kvantpartiklar som beskriver värmeledningsförmåga hos material.
– Med fördelarna ultrahög värmeledningsförmåga och tunna, flexibla och robusta strukturer har grafenfilmen stor potential för att bli ett nytt värmeledningsmaterial för fortsatt byggande av miniatyriserad elektronik och av andra system med hög effektutveckling, säger Johan Liu.
Egenskaper som matchar moderna kraftsystem
Den ständigt pågående miniatyriseringen och integreringen inom elektroniken innebär att svåra överhettningsproblem är ett stort hot mot prestandan och pålitligheten hos modern elektronik och många andra högeffektssystem.
– För att åtgärda detta måste värmeledningsmaterialen bli bättre när det gäller både värmeledningsförmåga, tjocklek, flexibilitet och tålighet, för att matcha de komplexa och högt integrerade kraftsystemen, säger Johan Liu. Kommersiellt tillgängliga värmeledningsmaterial som koppar, aluminium och artificiell grafitfilm kommer inte längre att möta dessa krav.
Rättigheterna till den högkvalitativa tillverkningsprocessen för grafenfilmen har gått till SHT Smart High Tech AB, ett spin-off-företag från Chalmers som kommer att fokusera på att kommersialisera teknologin.
Chalmersforskarna har samarbetat med forskargrupper på Uppsala universitet och SHT Smart High Tech AB i Sverige, Shanghai University and Tongji University i Kina, och University of Colorado Boulder i USA.
Artikel:
Tailoring the Thermal and Mechanical Properties of Graphene Film by Structural Engineering, Nan Wang, Majid Kabiri Samani, Hu Li, Lan Dong Zhongwei Zhang, Peng Su, Shujing Chen, Jie Chen, Shirong Huang, Guangjie Yuan, Xiangfan Xu, Baowen Li, Klaus Leifer, Lilei Ye, Johan Liu, Small.
Fler artiklar inom samma forskningsområde:
Functionalization mediates heat transport in graphene nanoflakes
Characterization and simulation of liquid phase exfoliated graphene-based films for heat spreading applications
Thermal chemical vapor deposition grown graphene heat spreader for thermal management of hot spots
Kontakt:
Johan Liu, professor på institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap, Chalmers, jliu@chalmers.se
