Ученые из США создали новый теплопроводящий материал, способный эффективно удалять «нежелательное» тепло от электронных компонент, например, компьютерных чипов или светоизлучающих диодов. Материал представляет собой композитное соединение графена и многослойного графена и имеет теплопроводность выше, чем существующие на сегодняшний день теплопроводящие смеси.

«Паразитное» тепло является большой проблемой современной электроники на базе традиционных кремниевых схем.

Причем, эта проблема со временем встает все более остро, поскольку устройства становятся меньше и сложнее.

Графен может быть идеальным строительным материалом для создания так называемых TIM (теплопроводящих материалов или thermal interface material), поскольку чистый графен обладает достаточно высокой теплопроводностью при комнатной температуре. Его теплопроводность имеет величину порядка 2000 – 5000 Вт/м*К, что намного выше теплопроводности алмаза – лучшего из известных кристаллических проводников тепла.

С точки зрения конструкции системы охлаждения, теплопроводящий материал располагается между источником тепла (например, компьютерным чипом) и радиатором; он играет важную роль в охлаждении устройств. Традиционные субстанции, используемые в качестве TIM наполнены проводящими частицами металла и имеют теплопроводность на уровне 1 – 5 Вт/м*К при комнатной температуре. Для достижения такой теплопроводности, как правило, необходимо обеспечить высокую концентрацию (более 50%) упомянутых теплопроводящих частиц. Но для более эффективного практического применения ученым необходим материал с теплопроводностью порядка 25 Вт/м*К. Подобные материалы могли бы использоваться не только для эффективного охлаждения электроники, но также в энергетических приложениях, например, для предотвращения перегрева солнечных батарей. Кроме того, потенциально они могли бы применяться в следующем поколении коммуникационных устройств высокой мощности.

Не так давно группе ученых из University of California (США) удалось улучшить характеристики теплопроводящего слоя за счет использования промышленных эпоксидных смол, что позволило достичь теплопроводности от 5,8 до рекордных 14 Вт/м*К. В их эксперименте частицы наполнителя состояли из оптимизированной смеси однослойного и многослойного графена. При этом объемная доля углеродного материала в смеси была достаточно низкая – не более 2%.

Частицы однослойного и многослойного графена в рамках эксперимента были приготовлены при помощи достаточно недорогой техники отшелушивания в жидкой среде. Стоит отметить, что этот метод производства частиц может быть легко масштабирован до коммерческих объемов.

По мнению исследователей, именно наличие одно- и двухслойного графена, вместе с многослойными частицами, столь существенно повышают теплопроводность композитной смеси. В подобной схеме эксперимента графен повел себя гораздо лучше, чем другие наноструктуры, например, нанотрубки или графитовые наноплоскости. Это связано с тем, что на границе источника тепла и теплопроводящего материала наблюдается меньшее сопротивление теплопередаче. Также результаты эксперимента показали, что

многослойный графен является более эффективным наполнителем для увеличения теплопроводности теплопроводящего материала, чем традиционно используемые носители тепла, такие как частицы оксида алюминия.

В ближайшем будущем команда планирует начать совместную работу с представителями промышленных предприятий для создания следующего поколения теплопроводящих материалов на основе графена, позволяющих удовлетворить специфические требования производителей устройств. Подробные результаты работы опубликованы в журнале Nano Letters.