最新の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。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高速かつ効率的に製造する方法を開発した。この汎用性の高い材料は、ガスセンサーから太陽電池パネルまで、様々な用途に活用できる可能性がある。
多くの電子機器は、電子部品から発生する熱を伝導および放散するためにグラファイト膜を使用しています。グラファイトは天然の炭素形態ですが、電子機器の熱管理は要求の厳しい用途であり、多くの場合、高品質のミクロン厚のグラファイト膜の使用に依存しています。「しかし、ポリマーを原料としてこれらのグラファイト膜を製造する方法は複雑でエネルギー集約的です」と、この研究を主導したペドロ・コスタ研究室のポスドク、ギタンジャリ・デオカー氏は説明します。これらの膜は、摂氏3,200度までの温度を必要とする多段階プロセスを経て製造され、数ミクロンより薄い膜を製造することはできません。
デオカー氏、コスタ氏らは、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作製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。ニッケルは、高温のメタンを表面でグラファイトに変換する触媒として機能する。「反応温度900℃でわずか5分間のCVD成長工程でNGFを実現しました」とデオカー氏は語った。
NGFは最大55cm²の面積のシート状に成長し、箔の両面に成長させることができます。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に、取り外して他の表面に転写することが可能です。
研究チームは、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、ニッケル上のNGFの断面の透過型電子顕微鏡（TEM）画像を取得した。「グラファイト膜とニッケル箔の界面を観察できた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が得られるだろう」とコスタ氏は述べた。
NGFの厚さは、市販のミクロン厚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する。「NGFはグラフェンや工業用グラファイトシートを補完し、積層カーボンフィルムの選択肢を広げる」とコスタ氏は述べた。例えば、NGFはその柔軟性から、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利用できる。「グラフェンフィルムと比較すると、NGFの導入はより安価で安定している」と同氏は付け加えた。
しかし、NGFには放熱以外にも多くの用途がある。TEM画像で強調されている興味深い特徴は、NGFの一部が炭素層数層しかないことである。「驚くべきことに、グラフェンドメインの複数の層が存在することで、フィルム全体にわたって十分な可視光透過性が確保される」とデオカ氏は述べた。研究チームは、導電性で半透明なNGFが太陽電池の構成要素として、または二酸化窒素ガスを検出するためのセンシング材料として使用できると仮説を立てた。「NGFをデバイスに組み込んで、多機能活性材料として機能させることを計画している」とコスタ氏は述べた。
詳細情報：Gitanjali Deokar 他、「ウェハースケールのニッケル箔上へのナノメートル厚のグラファイト膜の急速な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