Die Kühlung der leistungsstarken Elektronik in modernen Smartphones stellt eine große Herausforderung dar. Forscher der King Abdullah University of Science and Technology haben ein schnelles und effizientes Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoffmaterialien entwickelt, die sich ideal zur Wärmeableitung elektronischer Geräte eignen. Dieses vielseitige Material bietet zudem Anwendungsmöglichkeiten in Bereichen wie Gassensoren und Solarzellen.
Viele elektronische Geräte nutzen Graphitschichten zur Wärmeableitung und -abfuhr. Obwohl Graphit eine natürliche Kohlenstoffverbindung ist, stellt das Wärmemanagement in der Elektronik eine anspruchsvolle Anwendung dar und erfordert häufig hochwertige, mikrometerdünne Graphitschichten. „Die Herstellung dieser Graphitschichten aus Polymeren ist jedoch komplex und energieintensiv“, erklärt Gitanjali Deokar, Postdoktorandin im Labor von Pedro Costa und Leiterin der Forschungsarbeit. Die Schichten werden in einem mehrstufigen Prozess hergestellt, der Temperaturen von bis zu 3200 Grad Celsius erfordert und keine dünneren Schichten als wenige Mikrometer ermöglicht.
Deokar, Costa und ihre Kollegen haben eine schnelle und energieeffiziente Methode zur Herstellung von etwa 100 Nanometer dicken Graphitschichten entwickelt. Das Team nutzte die chemische Gasphasenabscheidung (CVD), um nanometerdünne Graphitfilme (NGFs) auf Nickelfolie abzuscheiden. Das Nickel katalysiert dabei die Umwandlung von heißem Methan in Graphit auf seiner Oberfläche. „Wir haben NGF in nur 5 Minuten durch CVD-Wachstum bei einer Reaktionstemperatur von 900 Grad Celsius erhalten“, so Deokar.
NGF kann zu bis zu 55 cm² großen Schichten heranwachsen und auf beiden Seiten der Folie bewachsen. Es lässt sich ohne Polymer-Trägerschicht, die bei einlagigen Graphenfilmen üblicherweise erforderlich ist, ablösen und auf andere Oberflächen übertragen.
In Zusammenarbeit mit dem Elektronenmikroskopie-Experten Alessandro Genovese erstellte das Team Transmissionselektronenmikroskopie-Aufnahmen (TEM) von Querschnitten von NGF auf Nickel. „Die Beobachtung der Grenzfläche zwischen Graphitfilmen und Nickelfolie ist ein beispielloser Erfolg und wird zusätzliche Einblicke in den Wachstumsmechanismus dieser Filme ermöglichen“, sagte Costa.
Die Dicke von NGF liegt zwischen der von handelsüblichen, mikrometerdicken Graphitfilmen und einlagigem Graphen. „NGF ergänzt Graphen und industrielle Graphitfolien und erweitert das Spektrum an geschichteten Kohlenstofffilmen“, so Costa. Aufgrund seiner Flexibilität kann NGF beispielsweise für das Wärmemanagement in flexiblen Mobiltelefonen eingesetzt werden, die nun auf den Markt kommen. „Im Vergleich zu Graphenfilmen ist die Integration von NGF kostengünstiger und stabiler“, fügte er hinzu.
NGF bietet jedoch neben der Wärmeableitung viele weitere Anwendungsmöglichkeiten. Ein interessantes Merkmal, das in den TEM-Aufnahmen deutlich wird, ist, dass einige Bereiche des NGF nur wenige Kohlenstoffschichten dick sind. „Bemerkenswerterweise gewährleistet das Vorhandensein mehrerer Graphenschichten eine ausreichende Transparenz des gesamten Films im sichtbaren Licht“, so Deoka. Das Forschungsteam vermutet, dass das leitfähige, lichtdurchlässige NGF als Komponente von Solarzellen oder als Sensormaterial zum Nachweis von Stickstoffdioxid eingesetzt werden könnte. „Wir planen, NGF in Bauelemente zu integrieren, sodass es als multifunktionales aktives Material fungieren kann“, sagte Costa.
Weiterführende Informationen: Gitanjali Deokar et al., Rapid growth of nanometer-thick graphite films on wafer-scale nickel foil and their structural analysis, Nanotechnology (2020). DOI: 10.1088/1361-6528/aba712
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Veröffentlichungsdatum: 05.09.2024