Chłodzenie elektroniki z użyciem grafenu

Naukowcy z University of California w Riverside (USA) opracowali nowy materiał przewodzący ciepło, oparty na grafenie. Potencjalnym zastosowaniem tego materiału miałoby być, zdaniem naukowców, skuteczne odprowadzanie ciepła z elementów elektronicznych, takich jak chipy komputerowe, czy półprzewodnikowe diody LED.

Materiały TIM – materiały przewodzące ciepło

Nadmierna ilość ciepła wytwarzana przez urządzenia elektroniczne, oparte na konwencjonalnych układach krzemowych, stanowi bardzo duży problem. Problem ten obecnie „doskwiera” coraz bardziej, gdyż współczesne urządzenia stają się coraz mniejsze i bardziej wyrafinowane. Kluczową rolę w systemach odprowadzających ciepło z układów elektronicznych, pełnią materiały TIM tj. materiały przewodzące ciepło (TIM – ang. thermal interface material), umieszczane między źródłem ciepła (np. chipem komputerowym) a radiatorem. Tradycyjny TIM jest zazwyczaj wypełniany metalicznymi cząstkami dobrze przewodzącymi ciepło, którego przewodność cieplna w temperaturze pokojowej mieści się w przedziale 1 – 5 W/(m ∙ K). Aby osiągnąć taką przewodność, udział cząstek wypełniacza (np. cząstek metalicznych) musi przekraczać 50% objętości takiego materiału.

Materiałem, który mógłby z powodzeniem zostać użyty jako wypełniacz w materiałach TIM, jest grafen, którego przewodność cieplna w temperaturze pokojowej mieści się w zakresie 2000 – 5000 W/(m ∙ K). Wartość ta jest porównywalna z wartością przewodności cieplnej diamentu – 2000 W/(m ∙ K) – jednak należy pamiętać, że grafen to układ dwu-, natomiast diament – trójwymiarowy. W przypadku praktycznej realizacji materiału TIM opartego na grafenie, naukowcy chcieliby uzyskać przewodność cieplną na poziomie około 25 W/(m ∙ K).

Rekordowa przewodność cieplna wielowarstwowego grafenu

W 2010 roku Alexander Balandin wraz ze współpracownikami z University of California w Riverside (USA) zaproponowali użycie do produkcji TIM wielowarstwowego grafenu, uzyskując wówczas przewodność cieplną równą 5,8 W/(m ∙ K). Obecnie, poprzez zastosowanie jako wypełniacza mieszanki jedno- oraz dwuwarstwowego grafenu udało im się osiągnąć rekordową wartość przewodności cieplnej wynoszącą 14 W/(m ∙ K), przy tylko 2% udziale objętościowym wypełniacza w stworzonym materiale.

Eksperymenty pokazały, że mieszanka grafenu użyta jako wypełniacz jest o wiele bardziej wydajnym materiałem zwiększającym przewodność cieplną, niż tradycyjnie używane materiały, np. cząstki aluminium. Obecnie zespół Balandina planuje rozwinąć nową generację materiałów TIM, bazujących oczywiście także na grafenie. „Chcemy, aby taki materiał mógł spełniać specyficzne wymagania różnych gałęzi przemysłu”, powiedział Balandin.

Artykuł pochodzi ze strony: physicsworld.com