Grafietplaten om smartphones van de volgende generatie koel te houden

Het kan een behoorlijke uitdaging zijn om de krachtige elektronica in de nieuwste smartphones te koelen. KAUST-onderzoekers hebben een snelle en efficiënte manier ontwikkeld om een ​​koolstofmateriaal te maken dat bij uitstek geschikt is om warmte in elektronische apparaten af ​​te voeren. Dit veelzijdige materiaal kan ook extra toepassingen hebben, variërend van gassensoren tot zonnecellen.

Veel elektronische apparaten gebruiken grafietfolies om de warmte die door hun elektronische componenten wordt gegenereerd, weg te trekken en af ​​te voeren. Hoewel grafiet een van nature voorkomende vorm van koolstof is, is warmtebeheer van elektronica een veeleisende toepassing en is het meestal afhankelijk van het gebruik van hoogwaardige micrometer-dikke gefabriceerde grafietfilms. “De methode die wordt gebruikt om deze grafietfilms te maken, met behulp van polymeer als bronmateriaal, is echter complex en zeer energie-intensief”, zegt Geetanjali Deokar, een postdoc in het laboratorium van Pedro Costa, die het werk leidde. De films worden gemaakt in een meerstappenproces dat temperaturen tot 3200 graden Celsius vereist en die geen films dunner dan enkele micrometers kunnen produceren.

Deokar, Costa en hun collega’s hebben een snelle, energiezuinige manier ontwikkeld om grafietplaten te maken die ongeveer 100 nanometer dik zijn. Het team kweekte nanometerdikte grafietfilms (NGF) op nikkelfolies met behulp van een techniek die chemische dampafzetting (CVD) wordt genoemd, waarbij het nikkel op zijn oppervlak op katalytische wijze heet methaangas omzet in grafiet. “We bereikten NGF’s met een CVD-groeifase van slechts vijf minuten bij een reactietemperatuur van 900 graden Celsius”, zegt Deokar.

Aan beide zijden van de folie groeiden de NGF’s, die konden worden gekweekt in vellen van maximaal 55 vierkante centimeter. Het kan worden geëxtraheerd en overgebracht naar andere oppervlakken zonder de noodzaak van een ondersteunende polymeerlaag, wat een veelvoorkomende vereiste is bij het hanteren van enkellaagse grafeenfilms.

In samenwerking met elektronenmicroscopiespecialist Alessandro Genovese heeft het team transversale transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) -beelden van de NGF op nikkel vastgelegd. “Het waarnemen van het grensvlak van de grafietfilms met de nikkelfolie was een ongekende prestatie die extra licht zal werpen op de groeimechanismen van deze films”, zegt Costa.

Qua dikte zit NGF tussen in de handel verkrijgbare micrometer dikke grafietfilms en enkellaags grafeen. “NGF’s vormen een aanvulling op grafeen en industriële grafietplaten en vormen een aanvulling op de gereedschapskist van gelaagde koolstoffilms”, zegt Costa. Door zijn flexibiliteit zou NGF zich bijvoorbeeld kunnen lenen voor warmtebeheer in flexibele telefoons die nu op de markt verschijnen. “NGF-integratie zou goedkoper en robuuster zijn dan wat kan worden verkregen met een grafeenfilm”, voegt hij eraan toe.

Naast warmtedissipatie kunnen NGF’s echter veel toepassingen vinden. Een intrigerend kenmerk, dat in de TEM-afbeeldingen naar voren kwam, was dat sommige delen van de NGF slechts enkele koolstofplaten dik waren. “Het is opmerkelijk dat de aanwezigheid van de grafeendomeinen met enkele lagen resulteerde in een redelijke mate van transparantie van zichtbaar licht van de hele film”, zegt Deokar. Het team stelde voor om geleidende, semi-transparante NGF’s te gebruiken als onderdeel van zonnecellen, of als sensormateriaal voor het detecteren van NO2-gas. “We zijn van plan NGF’s te integreren in apparaten waar ze als multifunctioneel actief materiaal kunnen fungeren”, zegt Costa.