为最新款智能手机中强大的电子元件散热是一项重大挑战。阿卜杜拉国王科技大学的研究人员开发了一种快速高效的方法，可以制造出非常适合电子设备散热的碳材料。这种多功能材料还有其他应用前景，例如气体传感器和太阳能电池板。
许多电子设备都使用石墨薄膜来传导和散发电子元件产生的热量。虽然石墨是碳的天然形式，但电子器件的热管理是一项要求极高的应用，通常依赖于高质量的微米级石墨薄膜。“然而，使用聚合物作为原材料来制造这些石墨薄膜的方法既复杂又耗能，”领导这项研究的佩德罗·科斯塔实验室的博士后吉坦贾利·德奥卡尔解释道。这些薄膜的制造需要多步工艺，温度高达3200摄氏度，而且无法生产厚度小于几微米的薄膜。
德奥卡尔、科斯塔及其同事开发了一种快速、节能的制备厚度约为100纳米的石墨薄片的方法。该团队利用化学气相沉积（CVD）技术在镍箔上生长纳米级石墨薄膜（NGF），镍箔能够催化其表面热甲烷转化为石墨。“我们仅需5分钟的CVD生长步骤，在900摄氏度的反应温度下即可获得NGF，”德奥卡尔说道。
NGF可生长成面积达55平方厘米的薄片，并可在箔片的两面生长。它无需聚合物支撑层即可移除并转移到其他表面，而聚合物支撑层通常是单层石墨烯薄膜的必要条件。
研究团队与电子显微镜专家亚历山德罗·杰诺维塞合作，获得了镍基NGF横截面的透射电子显微镜（TEM）图像。“观察石墨薄膜和镍箔之间的界面是一项前所未有的成就，这将有助于我们更深入地了解这些薄膜的生长机制，”科斯塔说道。
NGF的厚度介于市售微米级石墨薄膜和单层石墨烯之间。“NGF是对石墨烯和工业石墨片的补充，丰富了层状碳薄膜的种类，”Costa说道。例如，由于其柔韧性，NGF可用于柔性手机的热管理，而这类手机目前已开始出现在市场上。“与石墨烯薄膜相比，NGF的集成成本更低，稳定性更高，”他补充道。
然而，NGF 的用途远不止散热。透射电镜图像中一个引人注目的特征是，NGF 的某些部分仅有几层碳层厚。“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 表示。研究团队推测，这种导电半透明的 NGF 可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 集成到器件中，使其成为一种多功能活性材料，”Costa 说。
更多信息：Gitanjali Deokar 等人，《在晶圆级镍箔上快速生长纳米级厚石墨薄膜及其结构分析》，《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