Pradyumna Goli, vänster, och Alexander Balandin i Balandins Nano-Device Laboratory.
(Phys.org) —Forskare har upptäckt att skapandet av en grafen-koppar-grafen "smörgås" starkt förbättrar de värmeledande egenskaperna hos koppar, en upptäckt som ytterligare kan hjälpa till med nedskalningen av elektronik.
Arbetet leddes av Alexander A. Balandin, professor i elektroteknik vid Bourns College of Engineering vid University of California, Riverside och Konstantin S. Novoselov, professor i fysik vid University of Manchester i Storbritannien. Balandin och Novoselov är motsvarande författare till tidningen som just publicerades i tidningen Nano bokstäver . År 2010, Novoselov delade Nobelpriset i fysik med Andre Geim för deras upptäckt av grafen.
I experimenten, forskarna fann att man lägger till ett lager grafen, ett en-atom tjockt material med mycket önskvärd elektrisk, termiska och mekaniska egenskaper, på varje sida av en kopparfilm ökade värmeledande egenskaper upp till 24 procent.
"Denna förstärkning av koppars förmåga att leda värme kan bli viktig vid utvecklingen av hybridkoppar -grafen -sammankopplingar för elektroniska chips som fortsätter att bli mindre och mindre, "sade Balandin, som 2013 tilldelades MRS -medaljen från Material Research Society för upptäckt av ovanliga värmeledningsegenskaper hos grafen.
Från vänster:(1) koppar före bearbetning, (2) koppar efter termisk bearbetning; (3) koppar efter tillsats av grafen.
Huruvida de värmeledande egenskaperna hos koppar skulle förbättras genom att lagra det med grafen är en viktig fråga eftersom koppar är det material som används för halvledaranslutningar i moderna datorchips. Koppar ersatte aluminium på grund av dess bättre elektriska konduktivitet.
Att minska storleken på transistorer och sammankopplingar och öka antalet transistorer på datorchips har belastat kopparens sammankopplingsprestanda enormt, till den punkt där det finns lite utrymme för ytterligare förbättringar. Av den anledningen finns det en stark motivation att utveckla hybrid sammankopplingsstrukturer som bättre kan leda elektrisk ström och värme.
I experimenten som utförts av Balandin och de andra forskarna, de blev förvånade över att förbättringen av de termiska egenskaperna hos grafenbelagda kopparfilmer var signifikant trots att grafens tjocklek bara är en atom. Pusslet löstes efter att de insåg att förbättringen är ett resultat av förändringar i koppars nano- och mikrostruktur, inte från grafens verkan som en extra värmeledande kanal.
Efter att ha undersökt kornstorleken i koppar före och efter tillsats av grafen, forskaren fann att kemisk ångavsättning av grafen som utförs vid hög temperatur stimulerar kornstorlekstillväxt i kopparfilmer. De större kornstorlekarna i koppar belagda med grafen resulterar i bättre värmeledning.
Den experimentella uppsättningen och provet som används i studien.
Dessutom, forskarna fann att förbättringen av värmeledningen genom att tillsätta grafen var mer uttalad i tunnare kopparfilmer. Detta är betydelsefullt eftersom förbättringen bör förbättras ytterligare när framtida kopparanslutningar går ner till nanometerområdet, vilket är 1/1000 av mikrometerområdet.
I framtiden, Balandin och teamet skulle vilja undersöka hur värmeledningsegenskaper förändras i nanometertjocka kopparfilmer belagda med grafen. De planerar också att utveckla en mer exakt teoretisk modell för att förklara hur värmeledningsförmågan skalas med kornstorleken.
