Onderzoekers van de Chalmers University of Technology hebben een methode ontwikkeld om elektronica efficiënt te koelen met behulp van op grafeen gebaseerde film. De film heeft een warmtegeleidingsvermogen dat vier keer zo groot is als dat van koper. Bovendien, de grafeenfilm kan worden bevestigd aan elektronische componenten van silicium, die de prestaties van de film bevordert in vergelijking met typische grafeenkenmerken die in eerdere, soortgelijke experimenten.

Elektronische systemen die tegenwoordig beschikbaar zijn, verzamelen veel warmte, vooral vanwege de steeds toenemende vraag naar functionaliteit. Het op een efficiënte manier afvoeren van overtollige warmte is noodzakelijk om de elektronische levensduur te verlengen, en zou ook leiden tot een aanzienlijke vermindering van het energieverbruik. Volgens een Amerikaans onderzoek ongeveer de helft van de energie die nodig is om computerservers te laten draaien, wordt alleen gebruikt voor koelingsdoeleinden.

Een paar jaar geleden, een onderzoeksteam onder leiding van Johan Liu, professor aan de Chalmers University of Technology, waren de eersten die aantoonden dat grafeen een verkoelend effect kan hebben op op silicium gebaseerde elektronica. Dat was het uitgangspunt voor onderzoekers die onderzoek deden naar de koeling van op silicium gebaseerde elektronica met behulp van grafeen.

"Maar de methoden die tot nu toe zijn toegepast, hebben de onderzoekers voor problemen gesteld", zegt Johan Liu. "Het is duidelijk geworden dat die methoden niet kunnen worden gebruikt om elektronische apparaten van grote hoeveelheden hitte te ontdoen, omdat ze slechts uit een paar lagen warmtegeleidende atomen bestonden. Wanneer je meer lagen grafeen probeert toe te voegen, een ander probleem doet zich voor, een probleem met hechting. Na het aantal lagen te hebben vergroot, het grafeen hecht niet meer aan het oppervlak, omdat de hechting alleen bij elkaar wordt gehouden door zwakke van der Waals-bindingen."

"We hebben dit probleem nu opgelost door sterke covalente bindingen te creëren tussen de grafeenfilm en het oppervlak, dat is een elektronische component gemaakt van silicium, " hij gaat door.

De sterkere bindingen zijn het gevolg van de zogenaamde functionalisering van het grafeen, d.w.z. de toevoeging van een eigenschap-veranderende molecule. Na verschillende additieven te hebben getest, de Chalmers-onderzoekers concludeerden dat een toevoeging van (3-Aminopropyl) triethoxysilaan (APTES) moleculen het meest gewenste effect heeft. Bij verhitting en hydrolyse, het creëert zogenaamde silaanbindingen tussen het grafeen en de elektronische component (zie afbeelding).

Bovendien, functionalisering met behulp van silaankoppeling verdubbelt de thermische geleidbaarheid van het grafeen. De onderzoekers hebben aangetoond dat de in-plane thermische geleidbaarheid van de op grafeen gebaseerde film, met 20 micrometer dikte, kan een thermische geleidbaarheidswaarde van 1600 W/mK bereiken, dat is vier keer dat van koper.

"Verhoogde thermische capaciteit kan leiden tot verschillende nieuwe toepassingen voor grafeen, ", zegt Johan Liu. "Een voorbeeld is de integratie van op grafeen gebaseerde film in micro-elektronische apparaten en systemen, zoals zeer efficiënte Light Emitting Diodes (LED's), lasers en radiofrequentiecomponenten voor koelingsdoeleinden. Op grafeen gebaseerde film zou ook de weg kunnen banen voor snellere, kleiner, energiezuiniger, duurzame hoogvermogenelektronica."

De resultaten zijn onlangs gepubliceerd in het gerenommeerde tijdschrift Geavanceerde functionele materialen .