09.04.2010

Deponierte Graphenschichten leiten Wärme besser als Kupfer

Hohe thermische Leitfähigkeit der einatomigen Kohlenstoffschichten empfiehlt das Material für Anwendungen in der Nanoelektronik.

Hohe thermische Leitfähigkeit der einatomigen Kohlenstoffschichten empfiehlt das Material für Anwendungen in der Nanoelektronik.

Erst vor sechs Jahren wurde ein einfaches Verfahren für die Produktion hauchdünner Schichten aus Kohlenstoff vom Niederländer Andre Geim entdeckt. Und heute schon zeigen die nur eine Atomlage dicken Graphenlagen einzigartige Eigenschaften, die viele Anwendungen vor allem in der Nanoelektronik erwarten lassen. Nach ersten Transistoren auf Graphenbasis und elektrischen Kontakten konzentrierten sich französische und amerikanische Wissenschaftler nun auf die Wärmeleitfähigkeit von Graphen. Ihre Ergebnisse zeigen, dass selbst deponierte Graphenschichten Hitze besser von Prozessoren ableiten könnten als bisher verwendete Kupferfilme.

Abb.: Eine einatomige Schicht aus Graphen leitet auch auf einem Siliziumdioxid-Substrat Wärme besser als Kupfer. (Bild: University of Texas at Austin)

"Graphen kann sehr nützlich sein, um Hitzeprobleme zu lösen, beispielsweise in der Nanoelektronik", berichten Jae Hun Seol von der University of Texas in Austin und seine Kollegen vom Forschungszentrum für Nanomaterialien des französischen Atomenergiekommissariat (CEA) in Grenoble. So leiten die nur eine Atomlage dünnen Kohlenstoffschichten im reinen Zustand mit bis zu 5000 Watt pro Meter und Kelvin Wärme (W/mK) besser als herausragende Wärmeleiter wie Diamant oder Graphit. Doch für technische Anwendungen können die Graphenschichten nicht frei schwebend in einen Prozessor integriert, sondern sie müssten fest auf einer Unterlage deponiert werden. Exakt diesen Fall untersuchten die Wissenschaftler und fanden mit 600 W/mK bei Raumtemperatur eine immer noch größere Leitfähigkeit als bei dünnen Kupferschichten, die nur Werte von 250 W/mK erreichen.

Die geringeren Werte erklären die Forscher mit störenden Gitterschwingungen zwischen den Kohlenstoffatomen im Graphen und dem unterlegten Siliziumdioxid-Substrat. "Wir nahmen unser Modell für freies Graphen und erweiterten die Theorie, um die Wechselwirkung zwischen Graphen und Substrat beschreiben zu können", sagt David Broido, der am Boston College in Chestnut Hill die aktuelle Arbeit mit seinen theoretische Modellen unterstützte. Im Detail betrachtete er das Verhalten der akustischen Phononen im Grenzbereich zwischen Graphen und Substrat. So konnte die große Verringerung der Wärmeleitfähigkeit von 5000 auf 600 W/mK mit einer starken Streuung der flexuralen Schwingungsmoden erklärt werden. "Diese Arbeit ist ein wichtiger Schritt für die Erklärung der thermischen Leitfähigkeit von deponierten Graphen", beurteilt Ravi Prasher vom Chipkonzern Intel die Bedeutung dieser Arbeit.

Dieses Lob kommt nicht von ungefähr. Denn gerade die Chipentwickler suchen seit Jahren nach neuen Materialien für die Entwicklung leistungsfähigerer Prozessoren. Graphen könnte – in entsprechender Konfiguration – nicht nur Silizium in den Schaltkreisen ersetzen, sondern nun auch als herausragender Leiter für Strompulse und Wärme an die Stelle von Kupfer treten. Zudem lässt sich Graphen relativ günstig über ein Abschälen von Graphit-Blöcken herstellen lässt, wodurch die Chancen für eine Anwendung in zukünftigen Rechenchips – und sei es nur als Wärmeleiter – gut stehen.

Jan Oliver Löfken


Weitere Infos

Weiterführende Literatur:

  • K. S. Novoselov et al.: Science 306, 666 (2004)
  • Yu, L. Shi, Z. Yao, D. Li, A. Majumdar: Nano Lett. 5, 1842 (2005)
  • K. I. Bolotin et al.: Solid State Commun. 146, 351 (2008)

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