Forskare vid Chalmers tekniska högskola har utvecklat en metod för att effektivt kyla elektronik med hjälp av grafenbaserad film. Filmen har en värmeledningsförmåga som är fyra gånger så stor som koppar. Dessutom, grafenfilmen kan fästas på elektroniska komponenter gjorda av kisel, vilket gynnar filmens prestanda jämfört med typiska grafenegenskaper som visats i tidigare, liknande experiment.

Elektroniska system som finns tillgängliga idag ackumulerar mycket värme, främst på grund av det ständigt ökande kravet på funktionalitet. Att bli av med överskottsvärme på ett effektivt sätt är absolut nödvändigt för att förlänga elektronisk livslängd, och skulle också leda till en avsevärd minskning av energianvändningen. Enligt en amerikansk studie, ungefär hälften av energin som krävs för att driva datorservrar, används enbart för kylningsändamål.

För några år sedan, en forskargrupp ledd av Johan Liu, professor vid Chalmers tekniska högskola, var de första som visade att grafen kan ha en kylande effekt på kiselbaserad elektronik. Det var utgångspunkten för forskare som forskar om kylning av kiselbaserad elektronik med grafen.

"Men de metoder som har funnits hittills har ställt forskarna inför problem", säger Johan Liu. "Det har blivit uppenbart att dessa metoder inte kan användas för att avlägsna elektroniska enheter från stora mängder värme, eftersom de endast har bestått av ett fåtal lager av termiskt ledande atomer. När du försöker lägga till fler lager grafen, ett annat problem uppstår, problem med vidhäftningen. Efter att ha ökat antalet lager, grafenet kommer inte längre att fästa vid ytan, eftersom vidhäftningen endast hålls samman av svaga van der Waals-bindningar."

"Vi har nu löst detta problem genom att lyckas skapa starka kovalenta bindningar mellan grafenfilmen och ytan, som är en elektronisk komponent gjord av kisel, " han fortsätter.

De starkare bindningarna är resultatet av så kallad funktionalisering av grafen, d.v.s. tillägget av en egenskapsförändrande molekyl. Efter att ha testat flera olika tillsatser, Chalmers-forskarna drog slutsatsen att en tillsats av (3-Aminopropyl) triethoxysilan (APTES) molekyler har den mest önskade effekten. När den värms upp och genomgår hydrolys, det skapar så kallade silanbindningar mellan grafenen och den elektroniska komponenten (se bild).

Dessutom, funktionalisering med silankoppling fördubblar grafenens värmeledningsförmåga. Forskarna har visat att den grafenbaserade filmens värmeledningsförmåga i planet, med 20 mikrometers tjocklek, kan nå ett värde för värmeledningsförmåga på 1600 W/mK, vilket är fyra gånger så mycket som koppar.

"Ökad termisk kapacitet kan leda till flera nya applikationer för grafen, ", säger Johan Liu. "Ett exempel är integrationen av grafenbaserad film i mikroelektroniska enheter och system, som högeffektiva lysdioder (LED), lasrar och radiofrekvenskomponenter för kylningsändamål. Grafenbaserad film kan också bana väg för snabbare, mindre, mer energieffektiv, hållbar högeffektselektronik."

Resultaten publicerades nyligen i den välrenommerade tidskriften Avancerade funktionella material .