يمنع فيلم الجرافيت سريع النمو الإشعاع الكهرومغناطيسي

نشكرك على التسجيل في عالم الفيزياء إذا كنت ترغب في تغيير بياناتك في أي وقت، يرجى زيارة حسابي

يمكن لأغشية الجرافيت حماية الأجهزة الإلكترونية من الإشعاع الكهرومغناطيسي، إلا أن تقنيات تصنيعها الحالية تستغرق عدة ساعات وتتطلب درجات حرارة معالجة تبلغ حوالي 3000 درجة مئوية. وقد أظهر فريق من الباحثين من مختبر شنيانغ الوطني لعلوم المواد التابع للأكاديمية الصينية للعلوم طريقة بديلة لإنتاج أغشية جرافيت عالية الجودة في ثوانٍ معدودة، وذلك عن طريق تبريد شرائح ساخنة من رقائق النيكل في الإيثانول. ويزيد معدل نمو هذه الأغشية بأكثر من ضعفين عن الطرق الحالية، كما أن موصليتها الكهربائية ومتانتها الميكانيكية تضاهيان تلك المصنوعة باستخدام الترسيب الكيميائي للبخار (CVD).

تُصدر جميع الأجهزة الإلكترونية بعض الإشعاع الكهرومغناطيسي. ومع صغر حجم الأجهزة وزيادة تردداتها، يزداد احتمال التداخل الكهرومغناطيسي (EMI)، مما قد يؤثر سلبًا على أداء الجهاز والأنظمة الإلكترونية المجاورة.

الجرافيت، وهو شكل متآصل من الكربون يتكون من طبقات من الجرافين مترابطة بقوى فان دير فالس، يتميز بخصائص كهربائية وحرارية وميكانيكية مميزة تجعله درعًا فعالًا ضد التداخل الكهرومغناطيسي. ومع ذلك، يجب أن يكون على شكل طبقة رقيقة جدًا ليتمتع بموصلية كهربائية عالية، وهو أمر مهم لتطبيقات التداخل الكهرومغناطيسي العملية، إذ يسمح للمادة بعكس وامتصاص الموجات الكهرومغناطيسية أثناء تفاعلها مع حاملات الشحنة داخلها.

حاليًا، تعتمد الطرق الرئيسية لإنتاج أغشية الجرافيت إما على التحلل الحراري عالي الحرارة للبوليمرات العطرية، أو على تكديس أكسيد الجرافين (GO) أو صفائح الجرافين النانوية طبقةً تلو الأخرى. تتطلب كلتا العمليتين درجات حرارة عالية تبلغ حوالي 3000 درجة مئوية، ووقت معالجة يصل إلى ساعة. أما في تقنية الترسيب الكيميائي للبخار، فتكون درجات الحرارة المطلوبة أقل (بين 700 و1300 درجة مئوية)، لكن إنتاج أغشية بسمك نانومتر يستغرق بضع ساعات، حتى في الفراغ.

نجح فريق بقيادة وينكاي رين في إنتاج غشاء جرافيت عالي الجودة بسمك عشرات النانومترات في غضون ثوانٍ قليلة، وذلك بتسخين رقاقة نيكل إلى 1200 درجة مئوية في جو من الأرجون، ثم غمرها بسرعة في الإيثانول عند درجة حرارة 0 مئوية. تنتشر ذرات الكربون الناتجة عن تحلل الإيثانول وتذوب في النيكل بفضل ذوبانية الكربون العالية للمعدن (0.4% وزناً عند 1200 درجة مئوية). ولأن ذوبانية الكربون هذه تنخفض بشكل كبير عند درجات الحرارة المنخفضة، تنفصل ذرات الكربون وترسب من سطح النيكل أثناء عملية التبريد، مما ينتج عنه غشاء جرافيت سميك. ويفيد الباحثون بأن النشاط التحفيزي الممتاز للنيكل يُساعد أيضاً على تكوين جرافيت شديد التبلور.

باستخدام مزيج من المجهر النافذ عالي الدقة، وحيود الأشعة السينية، وطيف رامان، وجد رين وزملاؤه أن الجرافيت الذي أنتجوه كان شديد التبلور على مساحات واسعة، ومتدرج الطبقات، وخاليًا من العيوب المرئية. بلغت موصلية الإلكترونات للفيلم 2.6 × 105 سيمنز/متر، وهي مماثلة للأفلام المُنمّاة بتقنية الترسيب الكيميائي البخاري (CVD) أو تقنيات درجات الحرارة العالية، وضغط أفلام الجرافين/الجرافين.

لاختبار مدى قدرة المادة على حجب الإشعاع الكهرومغناطيسي، نقل الفريق أغشية بمساحة سطحية 600 مم² إلى ركائز مصنوعة من بولي إيثيلين تيريفثالات (PET). ثم قاموا بقياس فعالية حجب EMI (SE) للأغشية في نطاق تردد X، بين 8.2 و12.4 جيجاهرتز. ووجدوا أن فعالية حجب EMI تزيد عن 14.92 ديسيبل لأغشية بسمك حوالي 77 نانومتر. وتزداد هذه القيمة إلى أكثر من 20 ديسيبل (الحد الأدنى المطلوب للتطبيقات التجارية) في نطاق X بأكمله عند تكديس المزيد من الأغشية معًا. في الواقع، يبلغ حجب EMI لأغشية تحتوي على خمس قطع من أغشية الجرافيت المكدسة (بسمك إجمالي حوالي 385 نانومتر) حوالي 28 ديسيبل، مما يعني أن المادة قادرة على حجب 99.84% من الإشعاع الساقط. وبشكل عام، قام الفريق بقياس حجب EMI بمقدار 481000 ديسيبل/سم2/جم عبر النطاق X، متفوقًا على جميع المواد الاصطناعية التي تم الإبلاغ عنها سابقًا.

يقول الباحثون إنه على حد علمهم، فإن غشاء الجرافيت الخاص بهم هو الأرق بين مواد الحماية المعلن عنها، مع أداء حماية EMI يمكن أن يلبي متطلبات التطبيقات التجارية. كما أن خصائصه الميكانيكية مواتية. تبلغ قوة كسر المادة حوالي 110 ميجا باسكال (المستخرجة من منحنيات الإجهاد والانفعال للمادة الموضوعة على دعامة من البولي كربونات) وهي أعلى من قوة أفلام الجرافيت المزروعة بالطرق الأخرى. يتميز الغشاء بالمرونة أيضًا، ويمكن ثنيه 1000 مرة بنصف قطر انحناء يبلغ 5 مم دون فقدان خصائص حماية EMI. كما أنه مستقر حراريًا حتى 550 درجة مئوية. يعتقد الفريق أن هذه الخصائص وغيرها تعني أنه يمكن استخدامه كمواد حماية EMI فائقة الرقة وخفيفة الوزن ومرنة وفعالة للتطبيقات في العديد من المجالات، بما في ذلك الفضاء بالإضافة إلى الإلكترونيات والإلكترونيات البصرية.

اقرأ أهم التطورات المثيرة في علم المواد في هذه المجلة الجديدة المفتوحة المصدر.

يُمثل موقع "عالم الفيزياء" جزءًا أساسيًا من مهمة دار نشر IOP، المتمثلة في إيصال الأبحاث والابتكارات العالمية إلى أوسع شريحة ممكنة من الجمهور. ويشكل الموقع الإلكتروني جزءًا من محفظة "عالم الفيزياء"، وهي مجموعة من خدمات المعلومات الإلكترونية والرقمية والمطبوعة للمجتمع العلمي العالمي.