Onderzoekers van de Chalmers University of Technology, Zweden, hebben een uit grafeen geassembleerde film ontwikkeld die meer dan 60 procent hogere thermische geleidbaarheid heeft dan grafietfilm - ondanks het feit dat grafiet gewoon uit vele lagen grafeen bestaat. De grafeenfilm vertoont een groot potentieel als een nieuw warmteverspreidend materiaal voor vormfactorgestuurde elektronica en andere krachtige systemen.

Tot nu, wetenschappers in de grafeenonderzoeksgemeenschap hebben aangenomen dat grafeen-geassembleerde film geen hogere thermische geleidbaarheid kan hebben dan grafietfilm. Enkellaags grafeen heeft een thermische geleidbaarheid tussen 3500 en 5000 W/mK. Als je twee grafeenlagen bij elkaar legt, dan wordt het theoretisch grafiet, omdat grafeen slechts één laag grafiet is.

Vandaag, grafiet films, die praktisch nuttig zijn voor warmteafvoer en verspreiding in mobiele telefoons en andere elektrische apparaten, hebben een warmtegeleidingsvermogen tot 1950 W/mK. Daarom, de uit grafeen geassembleerde film mag geen hogere thermische geleidbaarheid hebben dan dit.

Onderzoekswetenschappers van de Chalmers University of Technology hebben deze situatie onlangs veranderd. Ze ontdekten dat de thermische geleidbaarheid van uit grafeen geassembleerde film kan oplopen tot 3200 W/mK, dat is meer dan 60 procent hoger dan de beste grafietfilms.

Professor Johan Liu en zijn onderzoeksteam hebben dit gedaan door zorgvuldige controle van zowel de korrelgrootte als de stapelvolgorde van grafeenlagen. De hoge thermische geleidbaarheid is het resultaat van de grote korrelgrootte, hoge vlakheid, en zwakke bindingsenergie tussen de lagen van de grafeenlagen. Met deze belangrijke kenmerken, fononen, waarvan beweging en trillingen de thermische prestaties bepalen, kan sneller bewegen in de grafeenlagen in plaats van interactie tussen de lagen, wat leidt tot een hogere thermische geleidbaarheid.

"Dit is inderdaad een grote wetenschappelijke doorbraak, en het kan een grote impact hebben op de transformatie van de bestaande grafietfilmproductie-industrie", zegt Johan Liu.

Verder, ontdekten de onderzoekers dat de grafeenfilm een ​​bijna drie keer hogere mechanische treksterkte heeft dan grafietfilm, 70 MPa bereikt.

"Met de voordelen van ultrahoge thermische geleidbaarheid, en dun, flexibel, en robuuste constructies, de ontwikkelde grafeenfilm toont een groot potentieel als een nieuw warmteverspreidend materiaal voor thermisch beheer van vormfactorgestuurde elektronica en andere krachtige systemen", zegt Johan Liu.

Als gevolg van de nooit eindigende miniaturisering en integratie, de prestaties en betrouwbaarheid van moderne elektronische apparaten en vele andere krachtige systemen worden ernstig bedreigd door ernstige problemen met thermische dissipatie.

"Om het probleem aan te pakken, warmteverspreidende materialen moeten betere eigenschappen krijgen als het gaat om thermische geleidbaarheid, dikte, flexibiliteit en robuustheid, om de complexe en sterk geïntegreerde aard van energiesystemen te evenaren", zegt Johan Liu. "Commercieel verkrijgbare materialen voor thermische geleidbaarheid, zoals koper, aluminium, en kunstmatige grafietfilm, zal niet langer aan deze eisen voldoen en voldoen."

De IP van het hoogwaardige productieproces voor de grafeenfilm behoort toe aan SHT Smart High Tech AB, een spin-off bedrijf uit Chalmers, die zich gaat richten op de commercialisering van de technologie.

De productiemethode van de grafeenfilm is gebaseerd op gelijktijdige vorming en reductie van grafeenoxidefilm, op aluminium ondergrond, droog-borrelende filmscheiding, gevolgd door behandeling bij hoge temperatuur en mechanisch persen. Deze omstandigheden maken de vorming van de grafeenfilm met grote korrelgrootte mogelijk, goede atomaire uitlijning, dunne film structuur, en lage bindingsenergie tussen de lagen. Al deze functies hebben een groot voordeel voor de overdracht van zowel hoogfrequente diffuse fononen als laagfrequente ballistische fononen, en daardoor leiden tot de verbetering van de thermische geleidbaarheid in het vlak van de grafeenfilm. Fononen zijn kwantumdeeltjes die de thermische geleidbaarheid van een materiaal beschrijven.

De krant, "Het afstemmen van de thermische en mechanische eigenschappen van grafeenfilm door Structural Engineering, " wordt online gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Klein .