מבוא ל Graphene ו High-Temperature Electronics

Graphene, דוטרופיה דו-ממדית של פחמן המורכב שכבת יחיד של אטומים מסודרים בדבש hexagonal דבשcomb lattice, היה מבודד לראשונה בשנת 2004 על ידי אנדרה גייים וקונסטנטין נובוסלב באוניברסיטת מנצ'סטר. התגלית הזאת הרוויחה אותם פרס נובל בפיזיקה בשנת 2010 וניצלה עלייה של מחקר גלובלי בתכונותיה יוצאות הדופן.

אלקטרוניקה עתירה גבוהה הם מרכיבים קריטיים בתעשיות החל מאווירה ורכב לייצור אנרגיה וחומרים עמוקים מאוד קידוח.מכשירים בתחומים אלה חייבים לפעול באופן אמין בטמפרטורות מעל 200 מעלות צלזיוס, לעתים קרובות בנוכחות רטט, קרינה, וסביבות קורוזיות, כמו סיליקון למחצה מסורתיים, אפילו סיליקון (Si) סובלים מירידה בביצועים חמורים מעל 150 מעלות צלזיוס בשל עלייה ב-ידי נושאות ודליפה גבוהה כגון מגנטית (Ric) הם לא מתאימים) עם סוללות (חומרים) אבל הם בעלי יכולת גבוהה יותר (חומרים) עם סוללות גבוהות יותר) כמו סיליקון) עם סוללות (חומרים מגנטיות גבוהה (Stracetracetracetrides) כמו גם עם סוללות (Side) עם סוללות).

ההשפעה הפוטנציאלית של גרפן באלקטרוניקה תעשייתית עתירה גבוהה היא עצומה.מ ניטור בזמן אמת במנועי סילון כדי חיישנים חזקים בארות גיאותרמי, רכיבים מבוססי גרפן יכולים לשפר באופן משמעותי את האמינות המערכת, יעילות, ומחזור החיים. מאמר זה חוקר את התכונות העיקריות שהופכות את גרפן מתאים לסביבות קשות כאלה, סוקר את אזורי היישום המבטיחים ביותר, ודנו באתגרים שיש לטפל בהם לפני שאימוץ תעשייתי נרחב יכול להתרחש.

תכונות של Graphene ⁇ לשימוש תעשייתי

הבנת מדוע גרפן מצטיין באלקטרוניקה עתירה גבוהה דורש מבט על המאפיינים הפיזיים והכימיקליים הבסיסיים שלו.הנכסים הבאים רלוונטיים במיוחד עבור פריסה תעשייתית.

המונחים:

Graphene יש אחד ההתנהגויות התרמיות הידועות ביותר בין כל החומרים, נמדד בערך 5000 W / mK ליד טמפרטורת החדר.ערך זה הרבה יותר עולה על זה של נחושת (400 W / mK) ויהלומים (2200 W/mK) בטמפרטורות גבוהות יותר, מוליכים תרמיים של גרפן באופן פעיל ירידה אבל נשאר גבוה מאוד בשל הדומיננטיות של תחבורה phonon.

מוליכים חשמליים

אלקטרונס בגרפן מתנהג כמו fermions ללא מסה, המאפשרים גיוסי נושא מעל 200 ס"מ / Vs בתנאים prise.גם כאשר נתמך על תת-שכבות כמו סיליקון דו-חמצני, האספנסיונות נשארים בעשרות אלפי.בטמפרטורות גבוהות, טיפות הניידות עקב פיזור פוני מוגבר, אבל גרפן עדיין מחוץ לתופעות הקונבנציונאליות הקונבנציונאליות ביותר, חשוב, יכול להיות מופחת על ידי מגנטים של 300 גרם גבוה של חומר אלקטרוסטיום (GC) על פני השטח העליון של חומרת גבוהה יותר מאשר זרם חשמלי גבוה יותר, 000 גבוה יותר, 000 גבוה, 000 (G-אפקטים (GSTD) יכול להיות מופחתת גבוהה יותר, 000) על פני גרורתיים (G-אפקטים) מאשר זרם גבוה יותר, 000) אשר יכול להיות מופחתת גבוהה יותר של חומר אלקטרו-ידי מגנטיים, 000.

כוח מכני וגמישות

Graphene הוא החומר החזק ביותר שנמדד אי פעם, עם כוח רב של כ 130 GPa ומודולולוציות של צעיר של 1 TPa. למרות הכוח הקיצוני הזה, הוא גם גמיש מאוד ויכול לעמוד במתחים של עד 20% ללא fracturing. עבור אלקטרוניקה תעשייתית שעשויה להיות כפופה לזעזוע מכני, רטט, או רכיבה תרמית, חוזקות של גרפן מבטיח שלמות, יתר על פני השטח יכול להיות משולב.

יכולת כימית

[ה]הפחמן המושלם של Graphene הוא אינרציה כימית בתנאים רבים.הוא מתנגד חמצון עד 400 מעלות צלזיוס באוויר, ובאווירות אינרציה הוא נשאר יציב לטמפרטורות גבוהות בהרבה (ראה:0ACS ננוFLT:1), חוסן כימי זה חיוני לסביבות תעשייתיות כי כרוך גזים קורוזיים, או ציפוי גבוה יותר של גירויים, כמו גם לחץ דם גבוה יותר.

יישומים של Graphene ב High-Temperature Electronics

השילוב הייחודי של תכונות שתוארו לעיל מאפשר מגוון רחב של יישומים תעשייתיים.תחתנו אנו מפרטים את האזורים המבטיחים ביותר שבהם גרפן עושה או מוגדר כדי להשפיע משמעותית.

חיישן טמפרציה High-Temperature

אחת ההזדמנויות המיידיות ביותר עבור גרפן היא במכשירים רגישים אשר חייבים לפעול בסביבות תרמיות קיצוניות.לדוגמה, מנועי סילון טורבינות גז דורשים לחץ, טמפרטורה, וחיישנים לייצור גז שיכול לתפקד ב 500 מעלות צלזיוס או יותר. חיישנים המבוססים על Graphene לנצל את ההשפעה ה ⁇ - 0xo-C בטמפרטורות גבוהות, שמירה הרבה מעבר למה סיליקון יכול להשיג באופן דומה, גרף גז - לעתים קרובות עם חיישנים ממונעים של מתכתי חמצן (N) או מטבוליזם של מטבוליזם של מטבוליזם של מטבוליזם (NCO-F) מטבוליזם (מ"מ"מ"מ"מ- מטבוליזם"מ"מ"מ"מ"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ

מערכות ניהול מתקדמות

בעוד מכשירים אלקטרוניים הופכים חזקים יותר וממזעריים, פיזור חום הופך גורם מגביל.ה של Graphene מוליכות תרמית גבוהה הופכת אותו חומר אידיאלי עבור פתרונות ניהול תרמיים באלקטרוניקה תעשייתית בעוצמה גבוהה. Graphene סרטים, המיוצר לעתים קרובות על ידי זיהום כימי Vapor (CVD) או על ידי ירידה של תחמוצת גרפין phen, משמשים כמו התפשטות חום עבור לייזרים, גבוה כוח, 000 כוח דם, 000 גרף גבוה, 000 גרף כי הם יכולים להפיץ חומרים מורכבים יותר גרף (C) או גרף מגנטים מגנטיים מורכבים יותר גרף גרף (C) או גרף גרף גרף) או גרף גרף גרף גרף גרף גבוה יותר גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גבוה גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף באופן משמעותי גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף

רובוסט אלקטרונים Components for Aerospace and Motor

תעשיות התעופה והחלל דורשות יותר ויותר אלקטרוניקה שיכולה לשרוד מתחת למכסה או בתא המנוע, שבו טמפרטורות יכולות לעלות על 300 מעלות צלזיוס. Graphene שדה-אפקט טרנזיסטורים (GFETs) הוכחו לפעול עד 500 מעלות C עם ירידה מינימלית ביצועים (GGGF) מכשירים אלה יכולים ליצור בסיס של מעגלים לוגיים בטמפרטורה גבוהה, מגברים ומערכות מעורבות, יותר מאשר גרפים חשמליים (F) של ציוד קרבוני נחושת (מתאים מתקדמים) של ציוד) של שבבים מתקדמים, לעומת גרף (F) של ציוד לחימה) עם גרף גבוה יותר, לעומת גרף של גרף של ציוד לחימה, לעומת גרף (F) של גרף של תאים חשמליים (F) של גרף של תאים חשמליים, לעומת גרף גבוה יותר) של תאים חשמליים (F) של תאים חשמליים, לעומת גרף של נפחים מתקדמים של נפחים של קוסמטיקה של גרף של קוסמטיקה של פחמן גבוה יותר, לעומת קוסמטיקה של קוסמטיקה נחושת) של פחמן גבוה יותר, לעומת קוסמטיקה של קוסמטיקה של גרף גבוה יותר, לעומת קוסמטיקה נחושת, לעומת קוסמטיקה נחושת (GF) עם קוסמטיקה של קיבולת גבוהה יותר, לעומת קיבולת גבוהה יותר) של פחמן גבוה יותר, לעומת

ציוד אחסון אנרגיה לסביבה גבוהה טמפרה

אחסון אנרגיה הוא תחום אחר שבו יציבות גבוהה של גרפן מציעה יתרון מפתח. סוללות Lithium-ion סובלים מהזדקנות מהירה וסייכוני בטיחות בטמפרטורות גבוהות. Graphene מבוסס supercapacitors, מצד שני, יכול לפעול על פני טווח טמפרטורה רחב (- 40 מעלות צלזיוס ל +80C במכשירים מסחריים) ומוסמכים לטמפרטורות גבוהות עוד יותר על ידי שימוש באלקטרו-אווירה אלקטרו-אווירית גבוהה יותר, כגון גרף פתוח, אשר מאפשר גרף גבוה יותר, כגון גרף גבוה יותר, כגון גרף אבטחה גבוהה יותר, שטח אחסון, גרף גבוה יותר, 000, כגון גרף אווירי, 000, 000 רחב יותר, 000 רחב יותר, 000 רחב יותר, 000 רחב יותר, 000, 000 רחב יותר, 000, 000 רחב יותר, 000 רחב יותר, 000 רחב יותר, 000, 000 רחב יותר, 000 רחב יותר, 000.

אתגרים ותובנות עתידיות

למרות הפוטנציאל יוצא הדופן שלו, שילוב הגרפן לאלקטרוניקה עתירית גבוהה תעשייתית עומד בפני כמה מכשולים משמעותיים שיש להתגבר עליהם באמצעות מחקר ופיתוח מתמשך.

ייצור גדול ואיכות חומרית

הפחתת גרפן באיכות גבוהה בכמויות גדולות בעלות סבירה נשאר אתגר.שיטות כגון פיזור מכני מפוחלת prise prise prise prise prise prise prise é prise é prise ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ אבל לא ניתן להגדיל את נוכחות דגנים וסביבות טמפרטורות נמוכות של פלסמה הוא עדיין שיפור טמפרטורות גבוהות.

יעילות והתחדשות חומרית

עבור אימוץ תעשייתי, כל אצווה של גרפן חייב להיות אותו תכונות חשמל תרמי. שיטות ייצור נוכחי לעתים קרובות מניב חומר עם וריאציות גדולות במספר שכבה, צפיפות פגומה, ורמת מינון. סטנדרטיזציה של פרוטוקולים אפיון - כגון Raman spectroscopy, עמידות גיליון, ומדידות התנהגות תרמי - הוא חיוני עבור בקרת איכות ארגונים כמו הארגון הבינלאומי לתקינה (ISO) פועלים על סטנדרטים הקשורים גרפן (ISO / ISO 2TC עדיין צורך, אך עדיין רחב יותר, אך עדיין נדרש.

שילוב עם תהליכי ייצור קיימים

תוך קידוד גרפן לתוך קווי ייצור למחצה קונבנציונליים הוא לא טריוויאלי. Graphene רגיש לכימיקלים רבים המשמשים photolithography ו- etching, ותהליכי ניקוי טיפוסיים יכולים להזיק או לאחד את החומר.זרימת תהליכים חדשים - כגון העברה יבשה, בדיקת לייזר, או טכניקות ישירות-w - מפותחים כדי לעקוף בעיות אלה, כמו גם, יעיל כדי להוסיף מגע מתכתי מתכת, במיוחד, אבל יכול להיות לחץ דם גבוה, אבל יש לחץ דם גבוה יותר, אבל יש לחץ דם גבוה, אבל יש לחץ דם גבוה יותר, אבל יש לחץ דם, אבל טכניקות.

Bandgap הנדסה

חוסר של Graphene של להקהgap מגביל את השימוש שלה בלוגיקה דיגיטלית כי טרנזיס לא יכול להיות כבוי לחלוטין, המוביל זרמי דליפת המדינה בטמפרטורות גבוהות. בעוד יישומים אנלוגיים וחיישנים יכולים לסבול את זה, רבים אלקטרוניקה תעשייתית דורשים מתגים עם גבוה על / סטיות מהירות, אבל גישות פחות מדי כדי לפתוח להקה בגרף, דוטרן עם שדה חשמלי מוחל, או קיבולת גבוהה יותר מדי (בדרך כלל) עם עלייה סגסוגת קטנה מדי (בדרך כלל) עם סגסוגת פחות סגסוגת סגסוגת סגסוגת סגסוגת קדחתנית).

עלויות ויציבות כלכלית

כיום, הפקת גרפן באיכות גבוהה יותר יקר מאשר חומרים מוליכים למחצה מסורתיים.העלות של סרטי CVD גרפן היא על סדר של כמה דולרים לסנטימטר רבוע, בהשוואה לפנינים עבור סיליקון.עבור גרפן להתחרות בשווקים תעשייתיים רגישים בעלות, נפח הייצור חייב להגדיל את מאגרי הדמים פגם חייב לרדת. תחזיות התעשייה מציעות כי כמו קנה מידה ייצור - על ידי יישומים בצבע, סוללות מורכבות, וסוללות בשלב זה יכול להיות בדיוק סיליקון.

אחריות ויציבות ארוכת טווח

בעוד גרפן עצמו יציב מבחינה כימית, חבילת המכשיר המלא - כולל תת-סטריטים, אלקטרודות, encapsulation וחומרים הקשורים - חייב גם לעמוד בטמפרטורות גבוהות במשך אלפי שעות. נתונים אמינות לטווח ארוך עבור אלקטרוניקה מבוססת גרפן בסביבות תעשייתיות הם בקושי. Accelerated בדיקות ההזדקנות תחת שילוב חום תרמי, חשמל, וסטרס מכני נדרשים לבנות אמון בין מחקרי מוקדם קצה תעשייתי מציע כי גרף קצר של מאות שעות ארוכות טווח על ידי ריבועים של 300 שעות ארוכות טווח זה, אבל זה יכול לשרוד על ידי ריבועים של קיבולת גבוהה של 300 שעות ארוכות טווח של ריבועים של ריבועיות.

מסקנה

התכונות החשמליות, התרמיות והמכניות של Graphene מציבות אותו כחומר טרנספורמטיבי עבור אלקטרוניקה עתירה גבוהה ביישומים תעשייתיים.היכולת שלה לשמור על ניידות גבוהה, פיזור חום יעיל, ואינטורציה כימית בטמפרטורות גבוהות מציעה יתרונות ברורים על מכשירים מסורתיים ואפילו חלופות מתפתחות כמו SiC ו- GaN. Promising יישומים מתעוררים בטמפרטורות גבוהות, ניהול תרמי, תחזוקה אלקטרונית, עדיין רכיבים ייצור משמעותי.

הדרך לאימוץ תעשייתי ידרוש מאמצים מתואמת ברחבי האקדמיה, התעשייה וגופים סטנדרטיזציה.כמו שיטות ייצור בוגר ואדריכלות מכשיר חדש מפותחים, גרפן צפוי למצוא את הכף הראשון שלה ביישומים שבהם חומרים מסורתיים נכשלים ביסודו.העשור הבא יהיה מכריע: הדגמה מוצלחת של אלקטרוניקה מבוססת גרפין במסגרות תעשייתיות בעולם האמיתי - כגון ניטור מנוע, חישה עמוקה, וכושר הפעלה מחדש של כוח אפשרי עבור פיתוח אלקטרוניקה מתקדמת.

(ב) [ה] [ה]] לקראת ייצור גרפן ויישומים תעשייתיים, ראו את נייר הבידוד ה-1 בינואר (FLT:2 וסקירות ממכתבים של FLT 3Nano בנוגע לטלפונים עתיריים גבוהים (FLT:4igital):5 ו- 5.