(Phys.org) -Onderzoekers hebben ontdekt dat het maken van een grafeen-koper-grafeen "sandwich" de warmtegeleidende eigenschappen van koper sterk verbetert, een ontdekking die verder zou kunnen helpen bij het verkleinen van elektronica.

Het werk werd geleid door Alexander A. Balandin, een professor in elektrotechniek aan het Bourns College of Engineering aan de Universiteit van Californië, Rivieroever en Konstantin S. Novoselov, een professor in de natuurkunde aan de Universiteit van Manchester in het Verenigd Koninkrijk. Balandin en Novoselov zijn corresponderende auteurs voor het artikel dat zojuist in het tijdschrift is gepubliceerd Nano-letters . In 2010, Novoselov deelde de Nobelprijs voor Natuurkunde met Andre Geim voor hun ontdekking van grafeen.

In de experimenten, ontdekten de onderzoekers dat het toevoegen van een laag grafeen, een één-atoom dik materiaal met zeer wenselijke elektrische, thermische en mechanische eigenschappen, aan elke kant van een koperfilm verhoogde de warmtegeleidende eigenschappen tot 24 procent.

"Deze verbetering van het vermogen van koper om warmte te geleiden, kan belangrijk worden bij de ontwikkeling van hybride koper-grafeen-interconnecties voor elektronische chips die steeds kleiner worden, " zei Balandin, die in 2013 de MRS-medaille van de Materials Research Society ontving voor de ontdekking van ongebruikelijke warmtegeleidingseigenschappen van grafeen.

Of de warmtegeleidende eigenschappen van koper zouden verbeteren door het met grafeen in lagen te leggen, is een belangrijke vraag omdat koper het materiaal is dat wordt gebruikt voor halfgeleiderverbindingen in moderne computerchips. Koper verving aluminium vanwege zijn betere elektrische geleidbaarheid.

Het verkleinen van de afmetingen van transistors en interconnecties en het vergroten van het aantal transistors op computerchips heeft een enorme druk gelegd op de interconnectieprestaties van koper. tot het punt waarop er weinig ruimte is voor verdere verbetering. Om die reden is er een sterke motivatie om hybride interconnectiestructuren te ontwikkelen die elektrische stroom en warmte beter kunnen geleiden.

In de experimenten van Balandin en de andere onderzoekers, ze waren verrast dat de verbetering van de thermische eigenschappen van met grafeen gecoate koperfilms significant was, ondanks het feit dat de dikte van grafeen slechts één atoom is. De puzzel werd opgelost nadat ze zich realiseerden dat de verbetering het resultaat is van veranderingen in de nano- en microstructuur van koper, niet van de werking van grafeen als een extra warmtegeleidend kanaal.

Na onderzoek van de korrelgroottes in koper voor en na het toevoegen van grafeen, de onderzoeker ontdekte dat chemische dampafzetting van grafeen bij hoge temperatuur de groei van de korrelgrootte in koperfilms stimuleert. De grotere korrelgroottes in koper gecoat met grafeen zorgen voor een betere warmtegeleiding.

Aanvullend, de onderzoekers ontdekten dat de verbetering van de warmtegeleiding door grafeen toe te voegen meer uitgesproken was in dunnere koperfilms. Dit is belangrijk omdat de verbetering verder zou moeten verbeteren naarmate toekomstige koperverbindingen naar beneden schalen naar het nanometerbereik, dat is 1/1000 van het micrometerbereik.

In de toekomst, Balandin en het team willen onderzoeken hoe warmtegeleidingseigenschappen veranderen in nanometer dikke koperfilms bedekt met grafeen. Ze zijn ook van plan een nauwkeuriger theoretisch model te ontwikkelen om uit te leggen hoe thermische geleidbaarheid schaalt met de korrelgroottes.