Die Kühlung der leistungsstarken Elektronik in modernen Smartphones kann eine große Herausforderung darstellen. Forscher der King Abdullah University of Science and Technology haben eine schnelle und effiziente Methode zur Herstellung von Kohlenstoffmaterialien entwickelt, die sich ideal zur Wärmeableitung von elektronischen Geräten eignen. Dieses vielseitige Material bietet weitere Anwendungsmöglichkeiten, von Gassensoren bis hin zu Solarmodulen.
Viele elektronische Geräte nutzen Graphitfolien, um die von elektronischen Bauteilen erzeugte Wärme zu leiten und abzuleiten. Obwohl Graphit eine natürliche Form von Kohlenstoff ist, ist das Wärmemanagement in der Elektronik eine anspruchsvolle Anwendung und erfordert oft hochwertige, mikrometerdicke Graphitfolien. „Die Herstellung dieser Graphitfolien aus Polymeren ist jedoch komplex und energieintensiv“, erklärt Gitanjali Deokar, Postdoc im Labor von Pedro Costa, die die Arbeit leitete. Die Folien werden in einem mehrstufigen Prozess hergestellt, der Temperaturen von bis zu 3.200 Grad Celsius erfordert und keine Folien dünner als wenige Mikrometer produzieren kann.
Deokar, Costa und ihre Kollegen haben ein schnelles und energieeffizientes Verfahren zur Herstellung von Graphitplatten mit einer Dicke von etwa 100 Nanometern entwickelt. Das Team nutzte die chemische Gasphasenabscheidung (CVD), um nanometerdicke Graphitfilme (NGFs) auf Nickelfolie zu züchten. Dabei katalysiert das Nickel die Umwandlung von heißem Methan in Graphit auf seiner Oberfläche. „Wir haben NGF in nur einem fünfminütigen CVD-Wachstumsschritt bei einer Reaktionstemperatur von 900 Grad Celsius hergestellt“, sagte Deokar.
NGF kann zu Flächen von bis zu 55 cm2 wachsen und auf beiden Seiten der Folie wachsen. Es kann entfernt und auf andere Oberflächen übertragen werden, ohne dass eine Polymerträgerschicht erforderlich ist, was bei einlagigen Graphenfilmen häufig erforderlich ist.
In Zusammenarbeit mit dem Elektronenmikroskopie-Experten Alessandro Genovese erstellte das Team Transmissionselektronenmikroskopie-Bilder (TEM) von Querschnitten von NGF auf Nickel. „Die Beobachtung der Grenzfläche zwischen Graphitfilmen und Nickelfolie ist eine beispiellose Leistung und wird zusätzliche Einblicke in den Wachstumsmechanismus dieser Filme liefern“, sagte Costa.
Die Dicke von NGF liegt zwischen handelsüblichen mikrometerdicken Graphitfolien und einlagigem Graphen. „NGF ergänzt Graphen und industrielle Graphitfolien und erweitert das Angebot an mehrschichtigen Kohlenstofffolien“, sagte Costa. Dank seiner Flexibilität kann NGF beispielsweise für das Wärmemanagement in flexiblen Mobiltelefonen eingesetzt werden, die derzeit auf den Markt kommen. „Im Vergleich zu Graphenfolien ist die Integration von NGF günstiger und stabiler“, fügte er hinzu.
NGF bietet jedoch über die Wärmeableitung hinaus zahlreiche weitere Einsatzmöglichkeiten. Ein interessantes Merkmal, das in den TEM-Bildern hervorgehoben wird, ist, dass einige Teile des NGF nur wenige Kohlenstoffschichten dick sind. „Bemerkenswerterweise gewährleistet das Vorhandensein mehrerer Graphenschichten eine ausreichende Transparenz für sichtbares Licht im gesamten Film“, sagte Deoka. Das Forschungsteam vermutete, dass das leitfähige, lichtdurchlässige NGF als Komponente von Solarzellen oder als Sensormaterial zur Erkennung von Stickstoffdioxidgas eingesetzt werden könnte. „Wir planen, NGF in Geräte zu integrieren, damit es als multifunktionales Aktivmaterial fungieren kann“, sagte Costa.
Weitere Informationen: Gitanjali Deokar et al., Schnelles Wachstum nanometerdicker Graphitfilme auf Wafer-großer Nickelfolie und ihre Strukturanalyse, Nanotechnologie (2020). DOI: 10.1088/1361-6528/aba712
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Beitragszeit: 05.09.2024