Gràcies per registrar-te a Physics World Si vols canviar les teves dades en qualsevol moment, visita El meu compte
Les pel·lícules de grafit poden protegir els dispositius electrònics de la radiació electromagnètica (EM), però les tècniques actuals per a la seva fabricació triguen diverses hores i requereixen temperatures de processament d'uns 3000 °C. Un equip d'investigadors del Laboratori Nacional de Ciència de Materials de Shenyang de l'Acadèmia Xinesa de les Ciències ha demostrat una manera alternativa de fabricar pel·lícules de grafit d'alta qualitat en només uns segons mitjançant el refredament de tires calentes de làmina de níquel en etanol. La taxa de creixement d'aquestes pel·lícules és més de dos ordres de magnitud superior a la dels mètodes existents, i la conductivitat elèctrica i la resistència mecànica de les pel·lícules són a l'alçada de les de les pel·lícules fabricades mitjançant deposició química de vapor (CVD).
Tots els dispositius electrònics produeixen radiació electromagnètica. A mesura que els dispositius es tornen cada cop més petits i funcionen a freqüències cada cop més altes, el potencial d'interferència electromagnètica (EMI) creix i pot afectar negativament el rendiment del dispositiu, així com el dels sistemes electrònics propers.
El grafit, un al·lòtrop del carboni construït a partir de capes de grafè unides per forces de van der Waals, té diverses propietats elèctriques, tèrmiques i mecàniques remarcables que el converteixen en un escut eficaç contra les interferències electromagnètiques (EMI). Tanmateix, ha de tenir la forma d'una pel·lícula molt fina perquè tingui una alta conductivitat elèctrica, cosa que és important per a les aplicacions pràctiques d'EMI, ja que significa que el material pot reflectir i absorbir les ones electromagnètiques a mesura que interactuen amb els portadors de càrrega que hi ha a l'interior.
Actualment, les principals maneres de fabricar pel·lícules de grafit impliquen la piròlisi a alta temperatura de polímers aromàtics o l'apilament d'òxid de grafè (GO) o nanolàmines de grafè capa per capa. Ambdós processos requereixen temperatures elevades d'uns 3000 °C i temps de processament d'una hora. En la deposició química en fase (CVD), les temperatures necessàries són més baixes (entre 700 i 1300 °C), però es necessiten unes quantes hores per fabricar pel·lícules de gruix nanomètric, fins i tot al buit.
Un equip dirigit per Wencai Ren ha produït una pel·lícula de grafit d'alta qualitat de desenes de nanòmetres de gruix en pocs segons escalfant una làmina de níquel a 1200 °C en una atmosfera d'argó i després submergint ràpidament aquesta làmina en etanol a 0 °C. Els àtoms de carboni produïts per la descomposició de l'etanol es difonen i es dissolen en el níquel gràcies a l'alta solubilitat del carboni del metall (0,4% en pes a 1200 °C). Com que aquesta solubilitat del carboni disminueix considerablement a baixa temperatura, els àtoms de carboni es segreguen i precipiten posteriorment de la superfície del níquel durant el refredament, produint una gruixuda pel·lícula de grafit. Els investigadors informen que l'excel·lent activitat catalítica del níquel també ajuda a la formació de grafit altament cristal·lí.
Mitjançant una combinació de microscòpia de transmissió d'alta resolució, difracció de raigs X i espectroscòpia Raman, Ren i els seus col·legues van descobrir que el grafit que produïen era altament cristal·lí en grans àrees, ben estratificat i no contenia defectes visibles. La conductivitat electrònica de la pel·lícula era de fins a 2,6 x 105 S/m, similar a les pel·lícules cultivades mitjançant tècniques de deposició química en fase vapor (CVD) o d'alta temperatura i premsat de pel·lícules de grafèn/grafè.
Per provar l'eficàcia del material en bloquejar la radiació electromagnètica (EM), l'equip va transferir pel·lícules amb una superfície de 600 mm2 sobre substrats fets de tereftalat de polietilè (PET). A continuació, van mesurar l'eficàcia de blindatge EMI (SE) de la pel·lícula en el rang de freqüències de la banda X, entre 8,2 i 12,4 GHz. Van trobar una EMI SE de més de 14,92 dB per a una pel·lícula d'aproximadament 77 nm de gruix. Aquest valor augmenta a més de 20 dB (el valor mínim requerit per a aplicacions comercials) a tota la banda X quan van apilar més pel·lícules juntes. De fet, una pel·lícula que conté cinc peces de pel·lícules de grafit apilades (d'uns 385 nm de gruix en total) té una EMI SE d'uns 28 dB, cosa que significa que el material pot bloquejar el 99,84% de la radiació incident. En general, l'equip va mesurar un blindatge EMI de 481.000 dB/cm2/g a través de la banda X, superant tots els materials sintètics reportats anteriorment.
Els investigadors diuen que, segons el seu coneixement, la seva pel·lícula de grafit és la més prima entre els materials de blindatge reportats, amb un rendiment de blindatge EMI que pot satisfer el requisit per a aplicacions comercials. Les seves propietats mecàniques també són favorables. La resistència a la fractura del material d'aproximadament 110 MPa (extreta de les corbes de tensió-deformació del material col·locat sobre un suport de policarbonat) és superior a la de les pel·lícules de grafit cultivades pels altres mètodes. La pel·lícula també és flexible i es pot doblegar 1000 vegades amb un radi de flexió de 5 mm sense perdre les seves propietats de blindatge EMI. També és tèrmicament estable fins a 550 °C. L'equip creu que aquestes i altres propietats signifiquen que es podria utilitzar com a material de blindatge EMI ultrafí, lleuger, flexible i eficaç per a aplicacions en moltes àrees, inclosa l'aeroespacial, així com l'electrònica i l'optoelectrònica.
Llegiu els avenços més significatius i emocionants en ciència de materials en aquesta nova revista d'accés obert.
Physics World representa una part clau de la missió d'IOP Publishing de comunicar la recerca i la innovació de primer nivell al públic més ampli possible. El lloc web forma part del portafoli de Physics World, una col·lecció de serveis d'informació en línia, digitals i impresos per a la comunitat científica mundial.
Data de publicació: 07 de maig de 2020