الغرافين يدخل ميدان التبريد الإلكتروني ليغير المعادلة

طور باحثون من جامعة شالمرز Chalmers التقنية -في السويد- طريقة تبريد فعالة للمكونات الإلكترونية باستخدام طبقة مشتقة من مادة الغرافين. هذه الطبقة لديها سعة ناقلية حرارية أكبر بأربع مرات من ناقلية النحاس، علاوةً على ذلك فإن طبقة الغرافين هذه قادرة على الالتصاق على المكونات الإلكترونية المصنوعة من السيلكون، الأمر الذي يؤدي إلى تحسين أداء المكونات الإلكترونية مقارنة بالأنواع السابقة من الغرافين الذي نتج عن تجارب سابقة .

إن الأنظمة الإلكترونية الحالية اليوم تتسم بإطلاق كميات كبيرة من الحرارة لتتناسب مع الطلب المتزايد على الوظائف المعقدة و التقنية المتطورة. أي أن زيادة تطور الأجهزة الإلكترونية من الناحية الوظيفية (السرعة- الصغر- الاستدامة....) يؤدي إلى زيادة في الحرارة الناتجة عن المكونات الإلكترونية ، ويشكل التخلص من الحرارة الزائدة بشكل فعال أحد أسباب إطالة عمر الأجهزة الإلكترونية، ويؤدي بالضرورة إلى خفض استهلاك الطاقة. فطبقاً لدراسة أمريكية حديثة فإن نصف الطاقة المطلوبة لتشغيل الحواسيب تذهب لغرض التبريد وحده.

قبل سنتين من الآن، كان الفريق البحثي بقيادة العالم جوان ليو Johan liu من جامعة شالمرز Chalmers أول من أثبت جدوى استخدام الغرافين في تبريد المكونات الإلكترونية المصنوعة من السيليكون.

الطريقة التي أمامنا الأن كانت قد واجهت عدة معوّقات، حيث كان جلياً أن الطريقة العادية لم تكن ترقى لأن تحرر القدر الكافي من الحرارة، لأنها كانت تتألف فقط من عدة طبقات محدودة من ذرات الغرافين ذات الموصلية الحرارية.

لذا تم العمل على محاولة إضافة طبقات إضافية من الغرافين بهدف رفع الموصلية الحرارية وبالتالي زيادة قدرة تحرير الحرارة؛ كانت مشكلة التصاق الغرافين بالسيليكون تطفو إلى السطح. فزيادة الطبقات يمنع الالتصاق بالسطح السيليكوني، وذلك لأن التلاصق يعتمد على روابط ضعيفة هي قوة "فاندر فالس".

تصور العلماء أن حل المشكلة يكمن في إضافة رابطة تساهمية قوية بين طبقة الغرافين وسطح المكونات الإلكترونية المصنوعة من السيليكون. هذه الرابطة القوية يمكن الحصول عليها عن طريق إضافة زمرة وظيفية إلى بنية الغرافين بهدف تغيير إحدى أو بعض خواصه أي تحضير ما يدعى بالغرافين الوظيفي.

وبعد عدة تجارب، توصل الباحثون إلى أن إضافة جزيئات ( 3-أمينو بروبيل ترايث أوكسيسلاين) (APTES) (3-Aminopropyltriethoxysilane) إلى الغرافين يؤدي المهمة المطلوبة. فعند التسخين والحلمهة (التفاعل مع الماء) للغرافين المطعم بها، تنتج روابط هيدريد السيليكون (Si-H) (Silane bonds) بين الغرافين والسيليكون ضمن المكونات الإلكترونية.

علاوةً على ذلك فأن مادة APTES زادت من الموصلية الحرارية للغرافين. فقد أثبت الباحثون الموصلية الحرارية لطبقة غرافين ذات سماكة 20 micro meter قد تصل إلى قيمة 1600 W/mk وهي أربعة أضعاف التي موصلية النحاس الحرارية.

أن زيادة السعة الحرارية من شأنها أن تقود إلى عدة تطبيقات جديدة للغرافين منها دمج طبقات مشتقة من الغرافين في الأجهزة الإلكترونية المصغرة وأنظمتها مثل الثنائي الباعث للضوء (الديود) ذو الفعالية العالية، والليزر وأمواج الراديو المتطورة لأغراض التبريد، حيث تمهد الطريق أمام صناعات إلكترونية سريعة وصغيرة ومستدامة وكفؤة في استخدام الطاقة العالية.

يستمر الغرافين في اقتحام المجال تلو الآخر، فهل حقا سيكون الغرافين مادة عصرنا؟

المصادر:

هنا

Improved Heat Spreading Performance of Functionalized Graphene in Microelectronic Device Application/Article first published online: 5 JUN 2015DOI: 10.1002/adfm.201500990

هنا