最新智能手机中强大的电子元件散热可能是一项重大挑战。阿卜杜拉国王科技大学的研究人员开发出一种快速高效的碳材料制造方法，使其成为电子设备散热的理想选择。这种用途广泛的材料可以应用于从气体传感器到太阳能电池板等各种领域。
许多电子设备使用石墨薄膜来传导和散发电子元件产生的热量。尽管石墨是碳的天然形态，但电子产品的热管理是一项要求极高的应用，通常依赖于使用高质量的微米级厚度石墨薄膜。“然而，使用聚合物作为原材料制造这些石墨薄膜的方法复杂且耗能，”Pedro Costa 实验室的博士后、这项研究的负责人 Gitanjali Deokar 解释说。这些薄膜的制造过程需要经过多个步骤，需要高达 3200 摄氏度的温度，而且厚度无法小于几微米。
Deokar、Costa 及其同事开发出一种快速高效的方法，用于制造厚度约为 100 纳米的石墨片。该团队采用一种名为化学气相沉积 (CVD) 的技术，在镍箔上生长纳米厚的石墨膜 (NGF)，其中镍在其表面催化热甲烷转化为石墨。“我们在 900 摄氏度的反应温度下，仅用 5 分钟的 CVD 生长步骤就实现了 NGF，”Deokar 说道。
NGF 可以生长成面积高达 55 平方厘米的薄片，并在箔片的两面生长。它可以被移除并转移到其他表面，而无需聚合物支撑层，而这在处理单层石墨烯薄膜时是常见的要求。
该团队与电子显微镜专家亚历山德罗·热诺维斯（Alessandro Genovese）合作，获得了镍基NGF横截面的透射电子显微镜（TEM）图像。“观察石墨膜和镍箔之间的界面是一项前所未有的成就，将为这些薄膜的生长机制提供更多见解，”科斯塔说道。
NGF的厚度介于市售微米级石墨膜和单层石墨烯之间。“NGF是对石墨烯和工业石墨片的补充，丰富了层状碳膜的库，”Costa说道。例如，由于其柔韧性，NGF可用于目前开始上市的柔性手机的热管理。“与石墨烯薄膜相比，NGF的集成将更便宜、更稳定，”他补充道。
然而，NGF除了散热之外还有许多其他用途。TEM图像中突出显示的一个有趣特征是，NGF的某些部分仅有几层碳厚。“值得注意的是，多层石墨烯畴的存在确保了整个薄膜具有足够的可见光透明度，”Deoka说道。研究团队假设，这种导电的半透明NGF可以用作太阳能电池的组件，或用作检测二氧化氮气体的传感材料。“我们计划将NGF集成到设备中，使其成为一种多功能活性材料，”Costa说道。
更多信息：Gitanjali Deokar 等人，晶圆级镍箔上纳米厚石墨膜的快速生长及其结构分析，《纳米技术》(2020)。DOI：10.1088/1361-6528/aba712
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发布时间：2024年9月5日