Благодарим ви, че се регистрирахте във Physics World. Ако желаете да промените данните си по всяко време, моля, посетете „Моят акаунт“.
Графитните филми могат да предпазват електронните устройства от електромагнитно (ЕМ) излъчване, но настоящите техники за тяхното производство отнемат няколко часа и изискват температури на обработка от около 3000 °C. Екип от изследователи от Националната лаборатория за материалознание в Шънян към Китайската академия на науките демонстрира алтернативен начин за производство на висококачествени графитни филми само за няколко секунди чрез закаляване на горещи ленти от никелово фолио в етанол. Скоростта на растеж за тези филми е с повече от два порядъка по-висока, отколкото при съществуващите методи, а електрическата проводимост и механичната якост на филмите са наравно с тези на филмите, направени чрез химическо отлагане от пари (CVD).
Всички електронни устройства произвеждат известно електромагнитно излъчване. Тъй като устройствата стават все по-малки и работят на все по-високи честоти, потенциалът за електромагнитни смущения (EMI) нараства и може да повлияе неблагоприятно върху работата на устройството, както и на близките електронни системи.
Графитът, алотропна форма на въглерод, изградена от слоеве графен, държани заедно от сили на ван дер Ваалс, има редица забележителни електрически, термични и механични свойства, които го правят ефективен щит срещу електромагнитни смущения (ЕМС). Той обаче трябва да бъде под формата на много тънък филм, за да има висока електрическа проводимост, което е важно за практическите ЕМИ приложения, защото означава, че материалът може да отразява и абсорбира ЕМ вълни, докато те взаимодействат с носителите на заряд вътре в него.
В момента основните начини за производство на графитен филм включват или високотемпературна пиролиза на ароматни полимери, или наслагване на графенов (GO) оксид или графенови нанолистове слой по слой. И двата процеса изискват високи температури от около 3000 °C и време за обработка от един час. При CVD необходимите температури са по-ниски (между 700 и 1300 °C), но са необходими няколко часа, за да се направят филми с дебелина на нанометър, дори във вакуум.
Екип, ръководен от Уенкай Рен, е произвел висококачествен графитен филм с дебелина десетки нанометри в рамките на няколко секунди, като е нагрял никелово фолио до 1200 °C в аргонова атмосфера и след това бързо го е потапял в етанол при 0 °C. Въглеродните атоми, получени от разлагането на етанола, дифундират и се разтварят в никела благодарение на високата разтворимост на въглерода в метала (0,4 тегл.% при 1200 °C). Тъй като тази разтворимост на въглерода значително намалява при ниска температура, въглеродните атоми впоследствие се отделят и утаяват от повърхността на никела по време на закаляването, образувайки дебел графитен филм. Изследователите съобщават, че отличната каталитична активност на никела също така спомага за образуването на силно кристален графит.
Използвайки комбинация от трансмисионна микроскопия с висока резолюция, рентгенова дифракция и Раманова спектроскопия, Рен и колегите му установили, че полученият от тях графит е силно кристален върху големи площи, добре наслоен и не съдържа видими дефекти. Електронната проводимост на филма е била висока до 2,6 x 105 S/m, подобно на филми, получени чрез CVD или високотемпературни техники и пресоване на GO/графенови филми.
За да проверят колко добре материалът може да блокира електромагнитното лъчение, екипът прехвърли филми с повърхност от 600 mm2 върху подложки, изработени от полиетилен терефталат (PET). След това те измериха ефективността на екраниране на електромагнитните смущения (SE) на филма в честотния диапазон на X-лентата, между 8,2 и 12,4 GHz. Те откриха EMI SE от над 14,92 dB за филм с дебелина приблизително 77 nm. Тази стойност се увеличава до над 20 dB (минималната стойност, необходима за търговски приложения) в целия X-лента, когато подредят повече филми заедно. Всъщност, филм, съдържащ пет парчета подредени графитни филми (с обща дебелина около 385 nm), има EMI SE от около 28 dB, което означава, че материалът може да блокира 99,84% от падащото лъчение. Като цяло екипът измери EMI екраниране от 481 000 dB/cm2/g в целия X-лента, превъзхождайки всички докладвани досега синтетични материали.
Изследователите казват, че доколкото им е известно, техният графитен филм е най-тънкият сред докладваните екраниращи материали, с EMI екраниращи характеристики, които могат да задоволят изискванията за търговски приложения. Механичните му свойства също са благоприятни. Якостта на материала на счупване от приблизително 110 MPa (извлечена от кривите на напрежение-деформация на материала, поставен върху поликарбонатна подложка) е по-висока от тази на графитните филми, отгледани по другите методи. Филмът е и гъвкав и може да се огъва 1000 пъти с радиус на огъване от 5 mm, без да губи своите EMI екраниращи свойства. Той е и термично стабилен до 550°C. Екипът смята, че тези и други свойства означават, че той може да се използва като ултратънък, лек, гъвкав и ефективен EMI екраниращ материал за приложения в много области, включително аерокосмическата индустрия, както и електрониката и оптоелектрониката.
Прочетете най-значимите и вълнуващи постижения в материалознанието в това ново списание с отворен достъп.
Physics World представлява ключова част от мисията на IOP Publishing да представя изследвания и иновации от световна класа на възможно най-широка аудитория. Уебсайтът е част от портфолиото на Physics World, колекция от онлайн, дигитални и печатни информационни услуги за световната научна общност.
Време на публикуване: 07 май 2020 г.