Графен может быть использован как материал для охлаждения компьютерных чипов более эффективный, нежели любой из используемых в электронике в настоящее время.

Таково утверждение исследователей из США и Франции, измеривших теплопроводность графена, размещенного на кремниевой подложке. Исследования показали, что теплопроводность графена более чем в двое превышает теплопроводность медных проводников, и более чем в 50 раз выше теплопроводности тонких кремниевых пленок.

Графен представляет собой одинарный слой атомов углерода, скомпонованных в гексагональную решетку. С момента открытия этого материала в 2004 году, его уникальные физические свойства продолжают удивлять исследователей. Благодаря его уникальным свойствам, графен позиционируют как заменитель кремния в электронике будущего, однако до создания чипов на основе сверхбыстрых транзисторов из графена еще далеко.

Недавние работы Американских и Французских исследователей позволяют сделать вывод, что графен может быть успешно применен для более эффективного теплоотвода в кремниевой микроэлектронике.

Рис. 1. Графеновый охлаждающий мостик

Предыдущие измерения показали, что графен без подложки, при комнатной температуре, имеет теплопроводность около 5000 Втм^-1K^-1 (Выше чем теплопроводность алмаза — самого лучшего проводника тепла в природе). Однако, в практических приложениях, графен будет размещаться на подложке, такой, как например диоксид кремния (SiO₂) часто применяемый в электронике.

Измерения, проведеннные Li Shi из Техасского университета (University of Texas and Austin), совместно с коллегами из Бостонского Колледжа (Boston College) , и Французского комитета по атомной энергии (CEA), показали, что графен, в контакте с SiO₂ имеет теплопроводность 600 Втм^-1K^-1. Хотя это число не так велико, как теплопроводность графена без подложки, она все же превосходит теплопроводность толстых медных проводников, которая равна 400 Втм^-1K^-1, и тонких медных пленок (обычно ниже 250 Втм^-1K^-1), которые широко применяются для охлаждения компьютерных чипов. Исследователи построили теоретическую модель (см. далее), объясняющую уменьшение теплопроводности под влиянием подложки.

Новые подходы к измерению теплопроводности графена

Li Shi с коллегами получили свои результаты с использованием нового метода измерения теплопроводности графена нанесенного на подложку из диоксида кремния. Сначала исследователи нанесли одноатомный слой графена на поверхность SiO₂ при помощи метода механического отслаивания атомных слоев от кристалла графита. Затем они измерили тепловую проводимость составной структуры состоящей из графенового слоя и подложки. Далее исследователи удалили слой графена и измерили тепловую проводимость подложки.

Разность этих двух величин дает тепловую проводимость (размерность — Ватты на Кельвин. Тепловая проводимость является аналогом электрической проводимости — обратной величины электрического сопротивления, а теплопроводность — аналог удельного сопротивления) графенового слоя, которая, с учетом его длины, ширины и толщины может быть пересчитана в теплопроводность (размерность Ватты на Кельвин на метр). Тепловая проводимость в таких экспериментах может измеряться как контактными, так и не контактными методами, например, при помощи изучения спектра комбинационного (Рамановского) рассеяния лазерного излучения падающего на образец (С еще одной работой, посвященной измерению теплопроводности графена, и давшей результаты близкие к результатам группы Shi можно познакомиться здесь).

Исследовательская группа так же разработала теоретическую модель, объясняющую резкое падение теплопроводности графена в присутствии подложки. Эта модель показывает, что вне плоскостные «изгибые» моды колебаний кристаллической решетки дают большой вклад в высокую теплопроводность графена без подложки. Эти моды колебаний подавляются при контакте графенового листа с другим материалом.

В настоящее время, исследователи изучают вопрос о том, нельзя ли снизить эффект влияния подложки, используя многослойный графен. Они ожидают, что влияние подложки на верхний слой графена будет слабее, чем на нижележащие слои, это позволит увеличить эффективную теплопроводность материала в целом.

Разработчики микросхем уже проявляют сдержанный интерес к результатам работы ученых. Ravi Phraser – один из руководителей производства чипов Intel в Chandler (Arizona) называет новое исследования «выдающимся», т. к. они объединяют тепловые, структурные и механические явления в единой теоретической модели. «Это решающий шаг в объяснении свойств теплопроводности графена на подложке» – считает он.

Таким образом, новые материалы на основе графена могут помочь классической микроэлектронике сделать очередной шаг вперед в повышении быстродействия и надежности микросхем.

Нефедов М. А.