تساعد صفائح الجرافيت الهواتف الذكية من الجيل الجديد على البقاء باردة

يُعدّ تبريد المكونات الإلكترونية عالية الأداء في أحدث الهواتف الذكية تحديًا كبيرًا. وقد طوّر باحثون في جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية طريقة سريعة وفعّالة لإنتاج مواد كربونية مثالية لتبديد الحرارة من الأجهزة الإلكترونية. ويمكن لهذه المادة متعددة الاستخدامات أن تجد تطبيقات أخرى، بدءًا من أجهزة استشعار الغاز وصولًا إلى الألواح الشمسية.
تستخدم العديد من الأجهزة الإلكترونية أغشية الجرافيت لتوصيل وتبديد الحرارة المتولدة من المكونات الإلكترونية. ورغم أن الجرافيت شكل طبيعي للكربون، إلا أن إدارة الحرارة في الإلكترونيات تُعدّ تطبيقًا بالغ الأهمية، وغالبًا ما تعتمد على استخدام أغشية جرافيت عالية الجودة بسماكة ميكرونية. وتوضح جيتانجالي ديوكار، الباحثة في مرحلة ما بعد الدكتوراه في مختبر بيدرو كوستا، والتي قادت هذا العمل: "مع ذلك، فإن طريقة تصنيع هذه الأغشية باستخدام البوليمرات كمواد خام معقدة وتستهلك كميات كبيرة من الطاقة". تُصنع هذه الأغشية من خلال عملية متعددة المراحل تتطلب درجات حرارة تصل إلى 3200 درجة مئوية، ولا يمكن إنتاج أغشية أرق من بضعة ميكرونات.
طوّر ديوكار وكوستا وزملاؤهما طريقةً سريعةً وموفرةً للطاقة لإنتاج صفائح من الجرافيت بسماكة 100 نانومتر تقريبًا. استخدم الفريق تقنية الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) لترسيب أغشية الجرافيت النانوية (NGFs) على رقائق النيكل، حيث يحفز النيكل تحويل غاز الميثان الساخن إلى جرافيت على سطحه. وقال ديوكار: "لقد حققنا إنتاج أغشية الجرافيت النانوية في خطوة ترسيب كيميائي للبخار استغرقت 5 دقائق فقط عند درجة حرارة تفاعل بلغت 900 درجة مئوية".
يمكن أن ينمو غشاء الجرافين النانوي (NGF) على شكل صفائح تصل مساحتها إلى 55 سم²، وينمو على جانبي الرقاقة. ويمكن إزالته ونقله إلى أسطح أخرى دون الحاجة إلى طبقة دعم بوليمرية، وهو شرط شائع عند العمل مع أغشية الجرافين أحادية الطبقة.
بالتعاون مع خبير المجهر الإلكتروني أليساندرو جينوفيز، حصل الفريق على صور مجهرية إلكترونية نافذة (TEM) لمقاطع عرضية من أغشية الجرافيت النانوية على النيكل. وقال كوستا: "إن رصد السطح البيني بين أغشية الجرافيت ورقائق النيكل يُعد إنجازًا غير مسبوق، وسيوفر رؤى إضافية حول آلية نمو هذه الأغشية".
يقع سمك طبقة الجرافين النانوية (NGF) بين سمك طبقات الجرافيت المتوفرة تجاريًا (بسمك ميكرون) وطبقة الجرافين الأحادية. وقال كوستا: "تُكمّل طبقة الجرافين النانوية الجرافين وصفائح الجرافيت الصناعية، مما يُضيف إلى مجموعة أغشية الكربون متعددة الطبقات". فعلى سبيل المثال، بفضل مرونتها، يُمكن استخدام طبقة الجرافين النانوية في إدارة الحرارة في الهواتف المحمولة المرنة التي بدأت بالظهور في الأسواق. وأضاف: "مقارنةً بأغشية الجرافين، سيكون دمج طبقة الجرافين النانوية أرخص وأكثر استقرارًا".
مع ذلك، فإنّ لـ NGF استخدامات عديدة تتجاوز تبديد الحرارة. ومن السمات اللافتة التي أبرزتها صور المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) أن بعض أجزاء NGF لا تتجاوز سماكتها بضع طبقات من الكربون. يقول ديوكا: "من اللافت للنظر أن وجود طبقات متعددة من نطاقات الجرافين يضمن درجة كافية من الشفافية للضوء المرئي في جميع أنحاء الغشاء". افترض فريق البحث إمكانية استخدام NGF الموصل والشفاف كمكون في الخلايا الشمسية أو كمادة استشعار للكشف عن غاز ثاني أكسيد النيتروجين. يقول كوستا: "نخطط لدمج NGF في الأجهزة بحيث يعمل كمادة فعالة متعددة الوظائف".
للمزيد من المعلومات: جيتانجالي ديوكار وآخرون، النمو السريع لأغشية الجرافيت النانوية على رقائق النيكل ذات الحجم المصغر وتحليلها البنيوي، تقنية النانو (2020). DOI: 10.1088/1361-6528/aba712
إذا صادفت خطأً مطبعياً أو معلومة غير دقيقة، أو أردتَ تقديم طلب لتعديل محتوى هذه الصفحة، فيُرجى استخدام هذا النموذج. للاستفسارات العامة، يُرجى استخدام نموذج الاتصال. ولإبداء الملاحظات العامة، يُرجى استخدام قسم التعليقات العامة أدناه (اتبع التعليمات).
رأيك يهمنا. مع ذلك، ونظرًا لكثرة الرسائل، لا يمكننا ضمان الرد عليك بشكل شخصي.
يُستخدم عنوان بريدك الإلكتروني فقط لإبلاغ المستلمين بهوية مُرسِل الرسالة. ولن يُستخدم عنوانك أو عنوان المستلم لأي غرض آخر. ستظهر المعلومات التي تُدخلها في رسالتك الإلكترونية ولن يتم تخزينها من قِبل موقع Phys.org بأي شكل من الأشكال.
ستتلقى تحديثات أسبوعية و/أو يومية في بريدك الإلكتروني. يمكنك إلغاء الاشتراك في أي وقت، ولن نشارك بياناتك مع أي جهة خارجية.
نحرص على إتاحة محتوانا للجميع. ندعوكم لدعم مهمة ساينس إكس من خلال الاشتراك في حساب مميز.