Grafen-bakır heteroyapıların üretimi, karakterizasyonu ve ısı dağıtım performanslarının incelenmesi
The synthesis and characterization of graphene-copper heterostructures and investigation of their heat dissipation performances
Yazar: ÖMER REFET ÇAYLAN
Danışman: DOÇ. DR. ZARİFE GÖKNUR BÜKE
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Günümüz mikroişlemci teknolojilerinde, işlemci bölgesinde oluşan ısıyı, bu alandan uzaklaştırmak için bakır gibi yüksek termal iletkenliğe sahip ısı dağıtıcı plakalar kullanılmaktadır; ancak bakırın, artan akım kaynaklı ısı yükleri karşısında giderek yetersiz kalması, bu kullanım alanında alternatif malzeme arayışını zorunlu kılmıştır. Bu yüksek lisans çalışması kapsamında, ısı dağıtmada tüm alanının efektif bir şekilde kullanımını sağlayacak, yenilikçi bir malzeme geliştirilmesi amaçlanmıştır. Bu bağlamda, grafen-bakır heteroyapı tasarımları önerilmiştir. Bunun için öncelikle bakır yüzeyinde grafen oluşumu üzerine çalışılmış, sentez ve karakterizasyon çalışmaları ile grafen büyümesinde baskın deneysel parametrelerin etkileri sistematik bir şekilde incelenmiş ve kimyasal buhardan çöktürme (KBÇ) yöntemi ile bakır folyo yüzeyinde olabildiğince sürekli ve kaliteli grafen sentezi için parametreler başarıyla optimize edilmiştir. Sonrasında farklı sayıda grafen-bakır folyo ve sadece bakır folyo katmanlarından oluşan lamine yapılar hazırlanmış ve bunların termal özellikleri hem deneysel hem de hesaplamalı yöntemler ile incelenmiştir. Bu çalışmalar sonucunda yapıdaki grafenin termal iletimde beklenen artışı sağlayamadığı görülmüş, bu durum grafen-bakır lamine yapısında grafenin sistemde bakır katmana göre çok ince kalması ile açıklanmıştır.
Böylece çalışmalardan edinilen bilgilerin ışığında grafen-bakır gözenekli yapı tasarımı önerilmiş, grafen-bakır gözenekli yapı sentezi, karakterizasyonu ayrıntılı şekilde çalışılarak, termal ölçümleri gerçekleştirilmiş ve bu yapıda grafenin termal yayınım performansını arttırdığı gösterilmiştir. Grafenin termal özelliklere bu pozitif etkisi, grafenin yüksek termal yayınımının yanı sıra, bakırı oksitlenmeden koruması ile de açıklanmıştır. Üçüncü yapı olarak, bakır tozlarının sinterlenmesini kısıtlayarak grafen oluşum yüzey alanını arttırma amaçlı, Tour metodu ile sentezlenmiş grafen oksit (GO) katkılı grafen-bakır gözenekli yapılar da çalışılmış, ancak katkılama miktarları fazla olduğundan, yapıda bulunan bakırlar arasındaki mesafe açılmış ve termal difüziviteye katkıda bulunan grafen miktarı, bu mesafelerden kaynaklanan ısı iletimindeki kayıpları dengeleyememiş ve termal difüzivite düşmüştür.

Abstract:
In today's technology, heat spreaders, made from materials with high thermal conductivity values (e.g. copper), play important role in removing the heat generated within the microprocessor (CPU). However, these materials quickly became inefficient to dissipate the ever increased heat loads, hence novel alternative materials, with higher dissipation efficiency are required. In this thesis, the aim is to develop a novel heat spreader capable of effectively using its entire area for heat dissipation. In this context, the graphene-copper heterostructures' designs are proposed. For this, firstly the formation of graphene on copper foil is studied. The effects of the major processing parameters and the mechanisms were investigated. Hence the graphene synthesis on copper foil was optimized for the further graphene-copper laminate structures. After the optimizations, the thermal properties of graphene-copper laminates and copper laminates are investigated by both the computational methods and experimental thermal measurements. These studies showed that the presence of graphene failed to contibute to the thermal conductivity of overall laminate structure. It was understood that the graphene in graphene-copper laminate structure was too thin compared to the copper layer in the system to achieve the expected increase in thermal conduction. Thus, in the light of the results obtained from the studies, graphene-copper porous structure is proposed. The graphene-copper porous structure synthesis and characterization were studied in detail and thermal measurements were carried out. The thermal diffusivity performance of the structure with graphene has been shown to increase. This positive effect of graphene on thermal properties is explained by the high thermal diffusivity of graphene as well as its protection of copper from oxidation. Finally, to increase the growth surface area of graphene, the addition of graphene oxide (GO) which is synthesized via Tour method is used as a stopping mechanism for the sintering behaviour of copper powders. However, the increased amount of GO created more porosity which results in loss of heat dissipation that could not be matched by the increased amount of the graphene's contribution to heat dissipation, resulting in a decrease in the overall thermal diffusivity.