استفاده از گرافن‌های چندلایه برای خنک کردن

گرافن به‌دلیل خواص الکترونیکی و مکانیکی خود، از بدو شناخت آن در سال ۲۰۰۴، مورد توجه دانشمندان و مهندسان بوده‌است. این ماده به‌دلیل امکان حرکت سریع الکترون درون آن، می‌تواند در ترانزیستورهایی با سرعت بالا به‌کار گرفته شود.

در سال ۲۰۰۸، الکساندر بالاندین و همکارانش در دانشگاه کالیفرنیا نشان دادند که هدایت گرمایی این ماده در دمای اتاق بسیار بالا بوده و در محدوده‌ی ۳۰۰۰ تا ۵۰۰۰ Wm^–۱K^–۱ می‌باشد که این میزان بستگی به‌اندازه و کیفیت گرافن دارد. بنابراین هدایت گرمایی گرافن حتی از الماس، که بیشترین هدایت گرمایی را دارد، نیز بیشتر است.

تاکنون کسی درباره‌ی پیرامون کاهش هدایت گرمایی گرافن چندلایه‌ای تحقیق نکرده ‌است. گروه بالاندین به اندازه‌گیری هدایت گرمایی گرافن چندلایه‌ای که دارای ۲ تا ۱۰ لایه‌ی اتمی است، پرداختند. آنها از روش نوری غیر تماسی با استفاده از طیف‌سنجی رامان برای این کار استفاده کردند و در نهایت دمای محلی لایه‌های گرافن را اندازه گرفتند.

محققان دریافتند که هدایت گرمایی گرافن با افزایش تعداد لایه‌های اتمی آن کاهش می‌یابد، با این حال گرافن‌های چهارلایه‌ای هدایت بالایی در حدود ۱۳۰۰ Wm^–۱K^–۱ دارد. در قیاس با گرافن، مس توده‌ای که همینک برای خنک کردن تراشه‌های کامپیوتری استفاده می‌شود، هدایتی در حدود ۴۰۰ Wm^–۱K^–۱ دارد که اگر مس به‌صورت لایه‌ی نازک درآورده شود، به ۲۵۰ Wm^–۱K^–۱ می‌رسد. از آنجا که با قرار دادن گرافن روی بسترهای کامپوزیتی یا بسترهایی نظیر سیلیکا هدایت گرمایی آن کاهش می‌یابد، باز هم می‌توان گفت که استفاده از گرافن برای خنک کردن بهتر از مس است.

طبق نتایج این گروه، هدایت گرمایی به‌دلیل ضخامت زیاد کاهش می‌یابد که دلیل آن عبور فونون‌ها از لایه‌های اتمی متفاوت در گرافن است. فونون‌ها ارتعاشات کوآنتایزشده‌ی شبکه‌ی بلوری هستند که موجب انتقال حرارت می‌شود. افزایش تعداد لایه‌ها، موجب تفرق بیشتر فونون‌ها و در نهایت کاهش هدایت گرمایی می‌شود. از آنجا که تولید گرافن چندلایه (۳ تا ۴ لایه) ساده‌تر از گرافن تک‌لایه‌ای بوده و هدایت آن نیز بالاست؛ این نوع گرافن برای خنک کردن تراشه‌ها بسیار مناسب است. هم‌اکنون این گروه تحقیقاتی به‌دنبال استفاده از گرافن چندلایه‌ای در تراشه‌های کامپیوتری هستند.