Chercheurs de l'Université de technologie Chalmers, Suède, ont développé un film assemblé en graphène qui a une conductivité thermique plus de 60 pour cent plus élevée que le film en graphite - malgré le fait que le graphite se compose simplement de plusieurs couches de graphène. Le film de graphène présente un grand potentiel en tant que nouveau matériau de propagation de la chaleur pour l'électronique pilotée par facteur de forme et d'autres systèmes à haute puissance.

Jusqu'à maintenant, les scientifiques de la communauté de recherche sur le graphène ont supposé que le film assemblé au graphène ne peut pas avoir une conductivité thermique plus élevée que le film de graphite. Le graphène monocouche a une conductivité thermique comprise entre 3500 et 5000 W/mK. Si vous assemblez deux couches de graphène, puis il devient théoriquement du graphite, car le graphène n'est qu'une couche de graphite.

Aujourd'hui, films de graphite, qui sont pratiquement utiles pour la dissipation et la propagation de la chaleur dans les téléphones portables et autres appareils électriques, ont une conductivité thermique allant jusqu'à 1950 W/mK. Par conséquent, le film assemblé au graphène ne doit pas avoir une conductivité thermique supérieure à celle-ci.

Des chercheurs de l'Université de technologie Chalmers ont récemment changé cette situation. Ils ont découvert que la conductivité thermique du film assemblé en graphène peut atteindre jusqu'à 3200 W/mK, ce qui est plus de 60 pour cent supérieur aux meilleurs films de graphite.

Le professeur Johan Liu et son équipe de recherche y sont parvenus grâce à un contrôle minutieux de la taille des grains et des ordres d'empilement des couches de graphène. La conductivité thermique élevée est le résultat de la grande taille des grains, haute planéité, et une faible énergie de liaison intercouche des couches de graphène. Avec ces caractéristiques importantes, phonons, dont le mouvement et les vibrations déterminent les performances thermiques, peut se déplacer plus rapidement dans les couches de graphène plutôt que d'interagir entre les couches, conduisant ainsi à une conductivité thermique plus élevée.

"C'est en effet une grande percée scientifique, et cela peut avoir un impact important sur la transformation de l'industrie de fabrication de films de graphite existante", dit Johan Liu.

Par ailleurs, les chercheurs ont découvert que le film de graphène a une résistance à la traction mécanique presque trois fois supérieure à celle du film de graphite, atteignant 70 MPa.

"Avec les avantages de la conductivité thermique ultra-élevée, et mince, souple, et des structures robustes, le film de graphène développé présente un grand potentiel en tant que nouveau matériau de propagation de la chaleur pour la gestion thermique de l'électronique pilotée par le facteur de forme et d'autres systèmes à haute puissance", dit Johan Liu.

Conséquence d'une miniaturisation et d'une intégration sans fin, les performances et la fiabilité des appareils électroniques modernes et de nombreux autres systèmes haute puissance sont fortement menacées par de graves problèmes de dissipation thermique.

"Pour régler le problème, les matériaux de propagation de la chaleur doivent obtenir de meilleures propriétés en matière de conductivité thermique, épaisseur, souplesse et robustesse, pour s'adapter à la nature complexe et hautement intégrée des systèmes électriques », dit Johan Liu. "Matériaux de conductivité thermique disponibles dans le commerce, comme le cuivre, aluminium, et film de graphite artificiel, ne répondra plus et ne satisfera plus à ces demandes."

La propriété intellectuelle du processus de fabrication de haute qualité du film de graphène appartient à SHT Smart High Tech AB, une entreprise dérivée de Chalmers, qui va se concentrer sur la commercialisation de la technologie.

Le procédé de fabrication du film de graphène est basé sur la formation et la réduction simultanées d'un film d'oxyde de graphène, sur substrat aluminium, séparation de film à bulles à sec, suivi d'un traitement à haute température ainsi que d'un pressage mécanique. Ces conditions permettent la formation du film de graphène à grosse granulométrie, bon alignement atomique, structure à couche mince, et une faible énergie de liaison intercouche. Toutes ces caractéristiques ont un grand avantage pour le transfert des phonons diffusifs à haute fréquence et des phonons balistiques à basse fréquence, et ainsi conduire à l'amélioration de la conductivité thermique dans le plan du film de graphène. Les phonons sont des particules quantiques qui décrivent la conductivité thermique d'un matériau.

Le papier, "Adapter les propriétés thermiques et mécaniques du film de graphène par l'ingénierie structurelle, " est publié en ligne dans la revue scientifique Petit .