Pradyumna Goli, la gauche, et Alexander Balandin dans le laboratoire de nano-dispositifs de Balandin.
(Phys.org) —Les chercheurs ont découvert que la création d'un "sandwich" graphène-cuivre-graphene améliore fortement les propriétés de conduction thermique du cuivre, une découverte qui pourrait encore aider à la réduction d'échelle de l'électronique.
Les travaux ont été dirigés par Alexander A. Balandin, professeur de génie électrique au Bourns College of Engineering de l'Université de Californie, Riverside et Konstantin S. Novoselov, professeur de physique à l'Université de Manchester au Royaume-Uni. Balandin et Novoselov sont les auteurs correspondants de l'article qui vient d'être publié dans la revue Lettres nano . En 2010, Novoselov a partagé le prix Nobel de physique avec Andre Geim pour leur découverte du graphène.
Dans les expériences, les chercheurs ont découvert que l'ajout d'une couche de graphène, un matériau d'un atome d'épaisseur avec une électricité hautement souhaitable, propriétés thermiques et mécaniques, de chaque côté d'un film de cuivre a augmenté les propriétés de conduction thermique jusqu'à 24 pour cent.
"Cette amélioration de la capacité du cuivre à conduire la chaleur pourrait devenir importante dans le développement d'interconnexions hybrides cuivre-graphène pour les puces électroniques qui continuent de devenir de plus en plus petites, " dit Balandin, qui en 2013 a reçu la médaille MRS de la Materials Research Society pour la découverte des propriétés inhabituelles de conduction thermique du graphène.
De gauche à droite :(1) le cuivre avant tout traitement, (2) cuivre après traitement thermique; (3) cuivre après ajout de graphène.
La question de savoir si les propriétés conductrices de la chaleur du cuivre s'amélioreraient en le superposant avec du graphène est une question importante, car le cuivre est le matériau utilisé pour les interconnexions semi-conductrices dans les puces informatiques modernes. Le cuivre a remplacé l'aluminium en raison de sa meilleure conductivité électrique.
La réduction de la taille des transistors et des interconnexions et l'augmentation du nombre de transistors sur les puces informatiques ont mis à rude épreuve les performances d'interconnexion du cuivre, au point qu'il y a peu de place pour d'autres améliorations. Pour cette raison, il existe une forte motivation pour développer des structures d'interconnexion hybrides capables de mieux conduire le courant électrique et la chaleur.
Dans les expériences menées par Balandin et les autres chercheurs, ils ont été surpris que l'amélioration des propriétés thermiques des films de cuivre revêtus de graphène soit significative malgré le fait que l'épaisseur du graphène n'est que d'un atome. Le puzzle a été résolu après avoir réalisé que l'amélioration est le résultat de changements dans la nano- et la microstructure du cuivre, pas de l'action du graphène en tant que canal conducteur de chaleur supplémentaire.
Après examen de la taille des grains du cuivre avant et après ajout de graphène, le chercheur a découvert que le dépôt chimique en phase vapeur de graphène effectué à haute température stimule la croissance de la taille des grains dans les films de cuivre. Les tailles de grains plus grandes du cuivre recouvert de graphène permettent une meilleure conduction thermique.
Le montage expérimental et l'échantillon utilisé dans l'étude.
En outre, les chercheurs ont découvert que l'amélioration de la conduction thermique en ajoutant du graphène était plus prononcée dans les films de cuivre plus minces. Ceci est important car l'amélioration devrait encore s'améliorer à mesure que les futures interconnexions en cuivre s'étendent jusqu'à la plage des nanomètres, qui est 1/1000thof la gamme micrométrique.
À l'avenir, Balandin et son équipe aimeraient étudier comment les propriétés de conduction thermique changent dans des films de cuivre nanométriques recouverts de graphène. Ils prévoient également de développer un modèle théorique plus précis pour expliquer comment la conductivité thermique évolue avec la taille des grains.
