Refroidir les composants électroniques puissants des smartphones les plus récents représente un défi majeur. Des chercheurs de l'Université des sciences et technologies du roi Abdallah ont mis au point une méthode rapide et efficace pour créer des matériaux carbonés idéaux pour dissiper la chaleur des appareils électroniques. Ce matériau polyvalent pourrait trouver d'autres applications, des capteurs de gaz aux panneaux solaires.
De nombreux appareils électroniques utilisent des films de graphite pour conduire et dissiper la chaleur générée par les composants électroniques. Bien que le graphite soit une forme naturelle de carbone, la gestion thermique en électronique est une application exigeante qui repose souvent sur l'utilisation de films de graphite de haute qualité, d'une épaisseur de quelques microns. « Cependant, la méthode de fabrication de ces films de graphite à partir de polymères est complexe et énergivore », explique Gitanjali Deokar, postdoctorante au sein du laboratoire de Pedro Costa, qui a dirigé les travaux. Ces films sont fabriqués selon un procédé en plusieurs étapes nécessitant des températures pouvant atteindre 3 200 degrés Celsius et ne permet pas d'obtenir des films d'une épaisseur inférieure à quelques microns.
Deokar, Costa et leurs collègues ont mis au point une méthode rapide et économe en énergie pour fabriquer des feuilles de graphite d'environ 100 nanomètres d'épaisseur. L'équipe a utilisé la technique du dépôt chimique en phase vapeur (CVD) pour faire croître des films de graphite nanométriques (NGF) sur une feuille de nickel. Le nickel catalyse la conversion du méthane chaud en graphite à sa surface. « Nous avons obtenu des NGF en seulement 5 minutes, lors d'une étape de croissance CVD à une température de réaction de 900 degrés Celsius », a déclaré Deokar.
Le NGF peut se développer en feuilles allant jusqu'à 55 cm² et croître sur les deux faces du support. Il peut être détaché et transféré sur d'autres surfaces sans nécessiter de couche de support polymère, contrairement aux films de graphène monocouches.
En collaboration avec Alessandro Genovese, expert en microscopie électronique, l'équipe a obtenu des images de microscopie électronique à transmission (MET) de sections transversales de NGF sur nickel. « L'observation de l'interface entre les films de graphite et la feuille de nickel est une avancée sans précédent et permettra de mieux comprendre le mécanisme de croissance de ces films », a déclaré Costa.
L'épaisseur du NGF se situe entre celle des films de graphite micrométriques disponibles dans le commerce et celle du graphène monocouche. « Le NGF complète le graphène et les feuilles de graphite industrielles, enrichissant ainsi la gamme des films de carbone multicouches », a déclaré Costa. Par exemple, grâce à sa flexibilité, le NGF peut être utilisé pour la gestion thermique des téléphones mobiles flexibles qui commencent à apparaître sur le marché. « Comparée aux films de graphène, l'intégration du NGF sera moins coûteuse et plus stable », a-t-il ajouté.
Cependant, le NGF possède de nombreuses applications au-delà de la dissipation thermique. Une caractéristique intéressante mise en évidence par les images TEM est que certaines parties du NGF ne comportent que quelques couches de carbone. « De façon remarquable, la présence de plusieurs couches de domaines de graphène assure une transparence suffisante à la lumière visible dans tout le film », a déclaré Deoka. L'équipe de recherche a émis l'hypothèse que le NGF conducteur et translucide pourrait être utilisé comme composant de cellules solaires ou comme matériau de détection du dioxyde d'azote. « Nous prévoyons d'intégrer le NGF dans des dispositifs afin qu'il puisse servir de matériau actif multifonctionnel », a précisé Costa.
Informations complémentaires : Gitanjali Deokar et al., Croissance rapide de films de graphite d’épaisseur nanométrique sur une feuille de nickel à l’échelle d’une plaquette et leur analyse structurale, Nanotechnology (2020). DOI : 10.1088/1361-6528/aba712
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Date de publication : 5 septembre 2024