Làm nguội linh kiện điện tử bằng composite gốc graphene

Các nhà nghiên cứu ở trường Đại học California tại Riverside, Mĩ, cho biết họ vừa phát triển một “chất liệu tiếp giáp nhiệt” (TIM) mới có thể loại bỏ hiệu quả lượng nhiệt không mong muốn ra khỏi những linh kiện điện tử như chip máy tính hay diode phát quang. Chất liệu trên là một hỗn hợp composite gồm graphene và graphene nhiều lớp.

Nhiệt tiêu hoa là một vấn đề lớn trong các hệ thống điện tử hiện đại hoạt động dựa trên những mạch điện silicon truyền thống – và vấn đề càng trở nên tồi tệ hơn khi các dụng cụ càng nhỏ đi và phức tạp hơn. TIM được đặt giữa một nguồn nhiệt – ví dụ một con chip máy tính – và một bồn nhiệt, và chúng giữ một vai trò thiết yếu trong các dụng cụ làm nguội. TIM truyền thống thường chứa những hạt nhồi kim loại dẫn nhiệt và có độ dẫn nhiệt trong ngưỡng 1–5 Wm^–1 K^–1 ở nhiệt độ phòng. Để đạt tới độ dẫn như thế, cần có tỉ lệ thể tích những hạt nhồi cao (hơn 50%).

Sơ đồ thể hiện chất liệu tiếp giáp nhiệt lấp đầy khe trống giữa hai bề mặt tiếp xúc như thế nào và dẫn nhiệt ra sao. (Ảnh: A Balandin)

Thành phần làm nguội

Graphene có thể lí tưởng để dùng làm chất nhồi trong TIM để mang nhiệt ra ngoài vì graphene nguyên chất có một độ dẫn nhiệt nhiệt độ phòng nội tại lớn nằm trong ngưỡng 2000–5000 Wm^–1 K^–1. Những giá trị này cao hơn độ dẫn nhiệt của kim cương, chất dẫn nhiệt nguyên tinh thể tốt nhất được biết.

Với những ứng dụng thực tế, các nhà nghiên cứu muốn chế tạo TIM có độ dẫn nhiệt chừng 25 Wm^–1 K^–1. Những chất liệu như vậy không chỉ dùng để làm nguội có hiệu quả đối với những linh kiện điện tử kĩ thuật số, mà còn dùng trong những ứng dụng năng lượng – ví dụ, để ngăn không để pin mặt trời bị quá nhiệt – và trong những dụng cụ truyền thông mật độ công suất cao thế hệ tiếp theo.

Alexander Balandin và các đồng nghiệp đã đề xuất sử dụng graphene vài lớp làm chất TIM hồi năm 2010. Nay, họ vừa thành công trong việc tăng độ dẫn nhiệt của một chất TIM gốc nhựa dẻo công nghiệp, hay như ngành công nghiệp thường gọi là “mỡ”, từ khoảng 5,8 Wm^–1 K^–1 đến một giá trị kỉ lục 14 Wm^–1 K^–1. Các hạt nhồi trong trường hợp này gồm một hỗn hợp đã tối ưu hóa gồm graphene và graphene vài lớp, và tỉ lệ thể tích của chất liệu gốc carbon trên trong nhựa là rất thấp, chỉ chừng 2%.

Các nhà nghiên cứu đã chế tạo graphene và graphene vài lớp của riêng họ bằng một kĩ thuật bóc tách pha lỏng đơn giản và không tốn kém. Đây là một phương pháp hiệu quả cao có thể dễ dàng tăng cỡ lên quy mô công nghiệp.

Giảm điện trở

Theo đội nghiên cứu, sự có mặt của graphene đơn lớp và graphene ba lớp cùng với nhiều lớp graphite dày hơn làm tăng độ dẫn nhiệt của composie lên những giá trị đã quan sát thấy. “Hiệu quả tuyệt vời của graphene ở phương diện này – so với ống nano carbon chẳng hạn – có khả năng là nhờ điện trở tiếp giáp nhiệt Kapitza nhỏ hơn giữa graphene và ma trận chất liệu nền,” Balandin nói. “Graphene dễ dàng ghép dính với ma trận chất liệu đó.”

Các thí nghiệm cho thấy những miếng graphene và graphene vài lớp là chất liệu nhồi hiệu quả hơn trong việc làm tăng độ dẫn nhiệt của TIM so với các chất nhồi thường sử dụng, ví dụ như hạt nhôm. Những chất nhồi gốc graphene mới đó cũng khác với những chất liệu để thử nghiệm trước đây, ví dụ như ống nano cảbron hay hạt nano graphite, vì những chất liệu này chỉ bám dính yếu với ma trận nền.

Khai thác những hiệu ứng nano

Balandin cho biết ông đã nghiên cứu các tính chất nhiệt của những cấu trúc nano – bao gồm những màng cực mỏng và dây nano – trong gần 15 năm. “Động cơ của tôi là khai thác các hiệu ứng nano để điều khiển sự truyền phonon – những dao động của mạng tinh thể do sự dẫn nhiệt trong nhiều chất liệu gây ra,” ông giải thích.

Đội khoa học đã lên kế hoạch hợp tác với các kĩ sư công nghiệp để phát triển thế hệ TIM tiếp theo có thể hoạt động tốt dựa trên nền graphene. “Những chất này sẽ đáp ứng những yêu cầu nhất định của nhiều ứng dụng đa dạng,” Balandin nói.

Nghiên cứu công bố trên tạp chí Nano Letters.

Xuân Nguyễn – thuvienvatly.com
Nguồn: physicsworld.com

Bài trước | Bài kế tiếp