Graphenbasierter Film kühlt überhitzte Elektronik

Thermische Leitfähigkeit viermal höher als bei Kupfer

Forscher an der Chalmers University in Göteborg haben ein effizientes Verfahren zur Kühlung der Elektronik mit einem graphenbasierenden Film entwickelt. Die Folie soll viermal bessere Wärmeleitfähigkeit als Kupfer haben. Es verträgt sich zudem mit elektronischen Komponenten aus Silizium, anders als bei Experimenten mit früheren Graphen.

Elektronische Systeme schaffen meist große Mengen an Wärme, vor allem wegen der ständig wachsenden Nachfrage nach mehr Funktionalität. Um die Lebensdauer der Systeme aufrechtzuerhalten, ist es wichtig, die Wärme effizient abzubauen. Bessere Kühlung der Elektronik verspricht größrere Mengen an Energie einzusparen. Laut einer US-Umfrage wird etwa die Hälfte des gesamten Strom dazu verwendet, um Computer-Server zu kühlen.

Vor ein paar Jahren zeigte ein Forschungsteam mit Johan Liu, Professor für Elektronik-Fertigung an der Chalmers University, der zum ersten Mal, vorführte, dass der Graph eine kühlende Wirkung auf siliziumbasierende Elektronik hat. Seitdem arbeiteten andere Forscher daran, mit dem Graphen Elektronik auf Siliziumbasis zu kühlen. Mit den Methoden, die bisher bestanden, kann man nicht so große Wärmemengen wegbekommen, da nur über wenige Atomlagen hindurch Hitze abgeführt werden kann, sagt Johan Liu. Beim Versuch mit vielen Schichten von Graphen zeigte sich das Problem der Haftung zwischen Graphen und Substrat, da sie nur durch schwache van der Waals-Bindungen zusammengehalten werden.

"Wir haben dieses Problem durch die Schaffung von starken kovalenten Bindungen zwischen Graph-Film und dem Substrat, das ein elektronisches Bauteil aus Silizium ist, gelöst." Die starken Bindungen sind das Ergebnis der so genannten Funktionalisierung von Graphen, das ist ein Zusatz einer molekularen Schicht, die neue Eigenschaften bietet. Beim Testen zahlreicher verschiedener Additive fanden Chalmers Forscher heraus, dass das Molekül (3-aminopropyl) (APTES) dasjenige ist, das am besten funktioniert. In der Heizung und Hydrolyse erzeugt das eine sogenannte Silan-Verbindung zwischen dem Graphen und Elektronik-Komponente.

Zusätzlich zu den starken Bindungen führt auch die Funktionalisierung zu einer Verdoppelung der Wärmeableitfähigkeit im Gesamtsystem. So wurde gezeigt, dass die Wärmeleitfähigkeit auf der Ebene des Films, wenn er eine Dicke von 20 Mikrometern aufweist, eine thermische Leitfähigkeit von 1600 W / mK erreichen kann. Das ist über das Vierfache der thermischen Leitfähigkeit von Kupfer. Der Film erhöht die Fähigkeit zur Wärmeableitung. Das bietet Chancen für viele Anwendungen, sagt Johan Liu. Bei der Integration der Filmkühlung von mikroelektronischen Vorrichtungen und Systemen, wie beispielsweise Leuchtdioden (LED) mit hoher Leistungslaser und Hochfrequenzkomponenten. Der Graph-basierten Film könnte auch den Weg für eine schnellere, kleinere, energieeffiziente und nachhaltige Hochleistungselektronik bedeuten.