Всего один слой графена атомарной толщины на поверхности медной пленки может существенно повысить теплопроводность данной конструкции. Эти новые и несколько неожиданные результаты были получены совместной группой исследователей из США и Великобритании. Как считают ученые, улучшение теплопроводности происходит из-за изменений морфологии меди под воздействием графена, а вовсе не из-за самого графена, выполняющего роль дополнительного канала для теплоотведения.

Опубликованное открытие может иметь важное значение для всех сфер, где в том или ином виде необходимо управление тепловыми потоками, к примеру, для охлаждения электронных чипов.

Совместная группа исследователей из University of Manchester (Великобритания) и University of California-Riverside (США) получила свои результаты, наблюдая, как изменяется теплопроводность медных пленок под действием графена, синтезированного на поверхности этих пленок путем химического осаждения из газообразного состояния. Для лучшей интерпретации результатов команда комбинировала замеры теплопроводности с результатами оптических спектральных исследований, а также изображений, полученных при помощи сканирующего туннельного микроскопа.

Графен представляет собой плоские листы атомов углерода, образующих гексагональную кристаллическую решетку. Этот материал привлекает внимание ученых и инженеров с первого дня своего открытия (в 2004 году), благодаря ряду уникальных электронных и механических свойств. Потенциально эти свойства могли бы быть полезными для создания самых разнообразных электронных устройств, к примеру, транзисторов, по скорости работы обходящих все существующие на сегодняшний день аналоги.

Сам по себе графен имеет очень высокую теплопроводность (этот параметр у материала даже выше, чем у алмаза – лучшего из известных проводников тепла). Хотя теплопроводность графена несколько снижается при размещении на подложке, она все равно остается высокой по сравнению с другими материалами. Уменьшение теплопроводности в такой конфигурации происходит из-за рассеяния фононов – квантов колебаний кристаллической решетки, которые переносят тепло – происходящего между различными атомарными слоями.

В ракурсе этого совершенно неожиданным был вывод, что графен может повышать теплопроводность самой подложки. Поскольку этот материал – довольно тонкий, исследователи не ожидали, что он столь кардинально может влиять на теплопроводность медной пленки.

Тщательные исследования показали, что

формирование пленки графена на поверхности меди при высокой температуре приводит к увеличению размеров зерен в медных пленках.

В контрольных пленках (которые подвергались воздействию тех же температур, что используются в процессе выращивания графена, но не становились основой для самого графена) зерна оказались намного меньше, что и определило меньшую теплопроводность.

Сейчас медь уже активно используется в электронике для рассеяния тепла от компонент, а ее сочетание с графеном позволит решать задачу теплопереноса гораздо эффективнее. Избыточное тепло является серьезной проблемой современных устройств, основанных на классических кремниевых схемах, причем, эта проблема только усугубляется, поскольку размеры устройств продолжают сокращаться.

Подробные результаты работы опубликованы в журнале Nano Letters.

По словам исследователей, пока что они рассматривали довольно толстые медные пленки и теперь планируют изучить изменения теплопроводности на структурах нанометрового размера. Такие структуры могут стать прототипами реальных гибридных (графен-медных) соединений для электронных схем.

На теоретическом фронте команда уже разработала относительно простую модель, связывающую теплопроводность и размеры зерна в меди, теперь же они планируют провести ее уточнения в рамках новых экспериментов.