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Wärmemanagement

Smartphones mit dünnen Graphitfilmen entwärmen

14. Januar 2021, 09:00 Uhr   |  Ralf Higgelke

Smartphones mit dünnen Graphitfilmen entwärmen
© Yole Développement

Die wesentlichen Wärmequellen in einem Smartphone.

Forscher der King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) haben einen Weg gefunden, ein Karbonmaterial herzustellen, das sich gut zur Wärmeableitung in elektronischen Geräten eignet. Dieses bewegt sich zwischen mikrometerdicken Graphitfolien und einlagigem Graphen.

Die leistungsstarke Elektronik in modernen Smartphones zu entwärmen ist eine große Herausforderung. Dies kann beispielsweise über dünne Graphitschichten erfolgen. Zwar kamen diese schon bisher beim Wärmemanagement von Elektronik zum Einsatz, allerdings als relativ dicke Graphitfolien, sodass deren Wärmewiderstand doch relativ hoch ist. Außerdem ist deren Herstellung ist komplex und sehr energieintensiv, denn dieser mehrstufige Prozess mit teuren Polymeren als Ausgangsmaterial erfordert Temperaturen von bis zu +3200 °C. Auch ist es nicht möglich, dünne Schichten mit einer Stärke von unter einem Mikrometer zu fertigen. Am anderen Ende der Skala liegen einlagige Graphen-Filme, die aber noch teurer in der Herstellung sind.

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© KAUST; Xavier Pita

Darstellung des NGF-Wachstums auf einer Nickelfolie. Die variable Anzahl der Graphen-Schichten korreliert mit der Orientierung, Größe und Grenzen der Nickelkörner an der Oberfläche der polykristallinen Metallfolie.

Forscher der King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) nun haben eine schnelle und energieeffiziente Methode entwickelt, um extrem dünne Graphitfolien herzustellen, die etwa 100 nm dick sind. Mithilfe der chemische Gasphasenabscheidung (CVD) wuchs ein Team am Labor von Pedro Da Costa nanometerdicke Graphitfilme (NGF) auf Nickelfolien auf, bei der das Nickel auf seiner Oberfläche heißes Methangas katalytisch in Graphit umwandelt. »Wir erreichten NGFs mit einem einzigen CVD-Prozessschritt von nur fünf Minuten bei einer Reaktionstemperatur von 900 Grad Celsius«, berichtet Erstautor Geetanjali Deokar.

Die NGFs, die in Bögen von bis zu 55 cm² gezüchtet werden konnten, wuchsen auf beiden Seiten der Folie. Sie lassen sich vom Nickelträger ablösen und auf andere Oberflächen übertragen, ohne eine polymere Trägerschicht zu benötigen, wie das bei einschichtigen Graphen-Folien üblicherweise nötig ist.

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© KAUST; Xavier Pita

Polymerfreier nasschemischer Transferprozess für auf Nickelfolie gewachsene, nanometerdicke Graphitfilme (NGF).

Was die Schichtdicke betrifft, liegen die NGFs zwischen kommerziell erhältlichen mikrometerdicken Graphitfolien und einlagigem Graphen. »NGFs ergänzen Graphen und industrielle Graphitfolien und vervollständigen den Werkzeugkasten der geschichteten Kohlenstoff-Filme«, stellt Prof. Da Costa heraus. Aufgrund seiner Elastizität könnten sich NGFs zum Beispiel für das Wärmemanagement in flexiblen Telefonen eignen, die jetzt auf den Markt kommen. »Die Integration von NGFs wäre billiger und robuster als das, was man mit einer Graphen-Schicht erreichen könnte«, fügt er hinzu.

Neben der Wärmeableitung könnten NGFs noch weitere Anwendungen finden. Eine faszinierende Eigenschaft, die in den TEM-Bildern sichtbar wurde, besteht darin, dass einige Abschnitte des NGFs nur wenige Kohlenstoffschichten dick waren. »Bemerkenswerterweise führte das Vorhandensein der Graphen-Domänen mit nur wenigen Schichten dazu, dass der gesamte Film ein ausreichendes Maß an Transparenz für sichtbares Licht aufwies«, meint Deokar. Leitende, halbtransparente NGFs könnten sich als Bestandteil von Solarzellen oder als Sensormaterial zum Nachweis von Stickoxid eignen. »Wir planen, NGFs in Komponenten zu integrieren, wo sie als multifunktionales aktives Material fungieren könnten«, so Da Costa.

Referenzen

[1] G. Deokar, et al., Fast, wafer-scale growth of a nanometer-thick graphite film on Ni foil and its structural analysis. Nanotechnology 31 (2020). DOI: 10.1088/1361-6528/aba712

[2] G. Deokar, et al., Semi-transparent graphite films growth on Ni and their double-sided polymer-free transfer. Scientific Reports 10, 14703 (2020). DOI: 10.1038/s41598-020-71435-7

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