最新スマートフォンに搭載されている高性能電子機器の冷却は、大きな課題となる場合があります。キング・アブドラ科学技術大学の研究者たちは、電子機器の放熱に最適な炭素材料を迅速かつ効率的に製造する方法を開発しました。この多用途な材料は、ガスセンサーから太陽電池まで、様々な用途に応用可能です。
多くの電子機器は、電子部品から発生する熱を伝導・放散するためにグラファイトフィルムを使用しています。グラファイトは天然の炭素ですが、電子機器における熱管理は要求の厳しい用途であり、多くの場合、高品質の数ミクロン厚のグラファイトフィルムの使用が不可欠です。「しかし、ポリマーを原料としてこれらのグラファイトフィルムを製造する方法は複雑で、多くのエネルギーを必要とします」と、ペドロ・コスタ研究室のポスドクで本研究を率いたギタンジャリ・デオカー氏は説明します。これらのフィルムは、最大3,200℃の温度を必要とする多段階のプロセスを経て製造されるため、数ミクロンより薄いフィルムを製造することはできません。
デオカー、コスタ、そしてその同僚たちは、厚さ約100ナノメートルのグラファイトシートを高速かつエネルギー効率よく製造する方法を開発した。研究チームは化学気相成長法（CVD）と呼ばれる技術を用いて、ニッケル箔上にナノメートル厚のグラファイト膜（NGF）を成長させた。この際、ニッケルは表面で高温のメタンをグラファイトに変換する触媒となる。「900℃の反応温度でわずか5分のCVD成長ステップでNGFを実現しました」とデオカーは述べた。
NGFは最大55cm²の面積のシート状に成長し、箔の両面に成長します。単層グラフェンフィルムを扱う際に一般的に必要とされるポリマー支持層を必要とせず、剥がして他の表面に転写することができます。
電子顕微鏡の専門家であるアレッサンドロ・ジェノヴェーゼ氏と協力し、研究チームはニッケル上のNGFの断面の透過型電子顕微鏡（TEM）画像を取得しました。「グラファイト膜とニッケル箔の界面を観察することは前例のない成果であり、これらの膜の成長メカニズムに関する新たな知見をもたらすでしょう」とコスタ氏は述べています。
NGFの厚さは、市販されているミクロン単位のグラファイトフィルムと単層グラフェンの中間に位置します。「NGFはグラフェンや工業用グラファイトシートを補完し、層状カーボンフィルムの選択肢を広げます」とコスタ氏は述べています。例えば、NGFはその柔軟性により、現在市場に出回り始めているフレキシブル携帯電話の熱管理に活用できます。「グラフェンフィルムと比較して、NGFの統合はより安価で安定的です」とコスタ氏は付け加えました。
しかし、NGFは放熱以外にも多くの用途があります。TEM画像で明らかになった興味深い特徴は、NGFの一部がわずか数層の炭素層の厚さしかないことです。「注目すべきは、多層グラフェンドメインの存在により、膜全体にわたって十分な可視光透過性が確保されていることです」とデオカ氏は述べています。研究チームは、この導電性で半透明なNGFが、太陽電池の構成要素や二酸化窒素ガスを検知するセンシング材料として利用できる可能性があると仮説を立てました。「NGFをデバイスに組み込み、多機能活性材料として機能させることを計画しています」とコスタ氏は述べています。
詳細情報：Gitanjali Deokar他「ウェーハスケールニッケル箔上におけるナノメートル厚グラファイト膜の急速成長とその構造解析」Nanotechnology (2020). DOI: 10.1088/1361-6528/aba712
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投稿日時: 2024年9月5日