Графен как средство охлаждения
 Уже сегодня графен можно назвать не только кандидатом на замещение кремния в электронике, но и возможным конкурентом меди в вопросах охлаждения микросхем. |
|
||||||||
Графен представляет собой тонкие двумерные листы атомов углерода, упорядоченных в гексагональную кристаллическую решетку. За счет геометрии этой решетки, данный материал обладает уникальными механическими свойствами, а также высокой электро- и теплопроводностью, обещающими самые разнообразные технологические применения.
Первый реальный лист графена был создан в 2004 году. Несколько лет после этого открытия ученые акцентировали свое внимание исключительно на электрических свойствах нового материала, предлагая схемы ультрабыстрых транзисторов и других электронных компонент. Но в 2008 году исследовательская группа из Калифорнийского Университета показала, что чуть ли не большего внимания достойна тепловая проводимость, ведь по этому параметру графен обошел даже алмаз, наиболее хороший проводник тепла из известных на тот момент.
Но что происходит с этим материалом при переходе от двумерной плоскости к трехмерному кристаллу? Очевидно, что с увеличением количества слоев графена, теплопроводность его будет падать, приближаясь постепенно к теплопроводности графита (ведь графен, фактически, представляет собой одноатомный слой кристалла графита). До сих пор, однако, никто не занимался детальными исследованиями того, как именно будет изменяться этот параметр при добавлении 1, 2 и т.п. слоев. Команда американских ученых восполнила этот пробел, исследуя теплопроводность пластин графена, содержащих от 2 до 10 листов. Результаты своей работы группа опубликовала в журнале Nature Materials. Для бесконтактного измерения локальной температуры исследователи применяли методику рамановской спектроскопии.
Исследования подтвердили, что теплопроводность материала уменьшается, но даже при наличии 4 одноатомных слоев она остается достаточно высокой, более чем в 3 раза превосходя медь (и в 5 раз превосходя тонкие медные пленки). Безусловно, на практике графен будет граничить с кварцем или другой поверхностью, что уменьшит итоговую теплопроводность, но результат все равно будет лучше, чем в случае меди.
Группа ученых предположила, что уменьшение теплопроводности с ростом количества слоев вызвано тем, что транспортирующие температуру фононы (частицы, введенные для учета коллективных колебаний электронного газа) взаимодействуют друг с другом в различных слоях. Чем больше слоев – тем больше взаимодействие и, соответственно, рассеивание фононов; т.е. нарушение первоначальной высокой теплопроводности.
Работу пока нельзя считать завершенной. Но даже в таком варианте она может иметь самое широкое практическое применение. Высокая температура – это глобальная проблема современных кремниевых электронных устройств, т.к. частоты их работы повышаются, а размеры – уменьшаются. Учитывая, что четырехслойный графен (который произвести даже легче, чем однослойный) показывает достаточно высокую теплопроводность, ученые полагают, что он мог бы использоваться для охлаждения компьютерных микросхем в быту. Ближайшая цель научной группы – интеграция такого четырехслойного графена в самые обычные микросхемы.
Также по теме:
Источники: