Forskare vid Chalmers har utvecklat en effektiv metod för att kyla elektronik med en grafenbaserad film. Filmen har över fyra gånger bättre värmeledningsförmåga än koppar. Den fäster dessutom bra mot elektronikkomponenter av kisel, till skillnad från grafenet i tidigare liknande försök.

Foto: Johan Liu

För att behålla livslängden på elektroniksystemen är det viktigt att kunna avlägsna värme effektivt. Bättre kylning av elektronik kan dessutom spara mycket stora mängder energi. Enligt en amerikansk undersökning går ungefär hälften av den totala el som används för att köra dataservrar till att kyla systemen.

Enligt Chalmers ska ett forskarlag vid högskolan, lett av Johan Liu som är professor i elektronikproduktion, för några år sedan för första gången ha visat att grafen har en kylande effekt på kiselbaserad elektronik. Sedan dess har även ändra forskare arbetat med grafen för kylning av kiselbaserad elektronik.

– Men med de metoder som har funnits hittills kan man inte få bort så stora mängder värme eftersom det bara är några få atomlager som kan leda bort värmen, säger Johan Liu. När man försöker med många lager av grafen dyker det upp problem med vidhäftningen mellan grafenet och underlaget eftersom de bara hålls ihop med svaga van der Waals-bindningar.

– Vi har löst det här problemet genom att skapa starka kovalenta bindningar mellan grafenfilmen och underlaget, som är en elektronikkomponent av kisel.

De starka bindningarna är resultatet av så kallad funktionalisering av grafenet, det vill säga en tillsats av en molekyl som ger skiktet nya egenskaper. Efter att ha testat många olika tillsatser kom chalmersforskarna fram till att molekylen (3-Aminopropyl) trietoxysilan (APTES) är den som fungerar bäst. Vid uppvärmning och hydrolys skapar den en så kallad silanbindning mellan grafenet och elektronikkomponenten (se skiss nedan).

Utöver de starka bindningarna leder också funktionaliseringen till en fördubbling av hela systemets värmespridningsförmåga. Forskarna har visat att värmeledningsförmågan i filmens plan, där den har en tjocklek på 20 mikrometer, kan nå ett värmeledningstal på 1600 W/mK. Det är över fyra gånger bättre än värmeledningstalet för koppar.

– Filmens förbättrade förmåga att leda bort värme ger möjligheter till många tillämpningar, säger Johan Liu. Till exempel integrering av filmen för kylning i mikroelektroniska enheter och system, såsom lysdioder med hög effekt, lasrar och radiofrekvenskomponenter. Den grafenbaserade filmen skulle också kunna bana väg för snabbare, mindre, energisnålare och mer hållbar högeffektselektronik.

Fakta om forskningsresultaten publicerades nyligen i den ansedda tidskriften Advanced Functional Materials med titeln "Improved Heat Spreading Performance of Functionalized Graphene in Microelectronic Device Application ".

Arbetet har utförts i ett samarbete mellan Chalmers och SHT Smart High Tech i Sverige, Shanghai University i Kina, samt Ecole Centrale Paris och EM2C – CNRS i Frankrike.

Silanbindning mellan grafen och kislet i en elektronikkomponent. Genom uppvärmning och hydrolys av molekylen (3-Aminopropyl) trietoxysilan (APTES) blir kisel och syre kvar. De bildar kovalenta bindningar, vilket ger mekanisk styrka och god värmeledningsförmåga.
Bild: Johan LiU

Filed under: SvenskTeknik