Forskare vid Chalmers tekniska högskola, Sverige, har utvecklat en grafenmonterad film som har över 60 procent högre värmeledningsförmåga än grafitfilm – trots att grafit helt enkelt består av många lager grafen. Grafenfilmen visar stor potential som ett nytt värmespridningsmaterial för formfaktordriven elektronik och andra högeffektsdrivna system.

Tills nu, Forskare inom grafenforskningssamhället har antagit att grafenmonterad film inte kan ha högre värmeledningsförmåga än grafitfilm. Enskiktsgrafen har en värmeledningsförmåga mellan 3500 och 5000 W/mK. Om du lägger två grafenlager tillsammans, då blir det teoretiskt grafit, eftersom grafen bara är ett lager grafit.

I dag, grafitfilmer, som är praktiskt användbara för värmeavledning och spridning i mobiltelefoner och andra kraftenheter, har en värmeledningsförmåga på upp till 1950 W/mK. Därför, den grafenmonterade filmen bör inte ha högre värmeledningsförmåga än detta.

Forskare vid Chalmers tekniska högskola har nyligen förändrat denna situation. De upptäckte att värmeledningsförmågan hos grafenmonterad film kan nå upp till 3200 W/mK, vilket är över 60 procent högre än de bästa grafitfilmerna.

Professor Johan Liu och hans forskargrupp har gjort detta genom noggrann kontroll av både kornstorlek och staplingsordningarna för grafenskikten. Den höga värmeledningsförmågan är ett resultat av stor kornstorlek, hög planhet, och svag mellanskiktsbindningsenergi för grafenskikten. Med dessa viktiga funktioner, fononer, vars rörelse och vibration bestämmer den termiska prestandan, kan röra sig snabbare i grafenlagren snarare än att interagera mellan lagren, vilket leder till högre värmeledningsförmåga.

"Detta är verkligen ett stort vetenskapligt genombrott, och det kan ha stor inverkan på omvandlingen av den befintliga grafitfilmsindustrin", säger Johan Liu.

Vidare, forskarna upptäckte att grafenfilmen har nästan tre gånger högre mekanisk draghållfasthet än grafitfilm, nå 70 MPa.

"Med fördelarna med ultrahög värmeledningsförmåga, och tunn, flexibel, och robusta strukturer, den utvecklade grafenfilmen visar stor potential som ett nytt värmespridningsmaterial för termisk hantering av formfaktordriven elektronik och andra högeffektsdrivna system", säger Johan Liu.

Som en konsekvens av aldrig sinande miniatyrisering och integration, prestandan och tillförlitligheten hos moderna elektroniska enheter och många andra högeffektsystem hotas kraftigt av allvarliga problem med termisk avledning.

"För att lösa problemet, värmespridande material måste få bättre egenskaper när det gäller värmeledningsförmåga, tjocklek, flexibilitet och robusthet, för att matcha kraftsystemens komplexa och mycket integrerade natur", säger Johan Liu. "Kommersiellt tillgängliga material för värmeledningsförmåga, som koppar, aluminium, och konstgjord grafitfilm, kommer inte längre att möta och tillfredsställa dessa krav."

IP-adressen för den högkvalitativa tillverkningsprocessen för grafenfilmen tillhör SHT Smart High Tech AB, ett spin-off företag från Chalmers, som kommer att fokusera på kommersialiseringen av tekniken.

Tillverkningsmetoden för grafenfilmen är baserad på samtidig bildande och reduktion av grafenoxidfilm, på aluminiumsubstrat, torrbubblande filmseparation, följt av högtemperaturbehandling samt mekanisk pressning. Dessa förhållanden möjliggör bildandet av grafenfilmen med stor kornstorlek, bra atomär inriktning, tunnfilmsstruktur, och låg bindningsenergi mellan skikten. Alla dessa funktioner har stor fördel för överföring av både högfrekventa diffusiva fononer och lågfrekventa ballistiska fononer, och därigenom leda till förbättringen av termisk konduktivitet i planet hos grafenfilmen. Fononer är kvantpartiklar som beskriver ett materials värmeledningsförmåga.

Pappret, "Skräddarsy de termiska och mekaniska egenskaperna hos grafenfilm genom strukturteknik, " publiceras online i den vetenskapliga tidskriften Små .