Děkujeme za registraci na Physics World. Pokud chcete kdykoli změnit své údaje, navštivte prosím Můj účet.
Grafitové filmy mohou chránit elektronická zařízení před elektromagnetickým (EM) zářením, ale současné techniky jejich výroby trvají několik hodin a vyžadují teploty zpracování kolem 3000 °C. Tým výzkumníků z Národní laboratoře pro materiálové vědy v Šen-jangsku při Čínské akademii věd nyní demonstroval alternativní způsob výroby vysoce kvalitních grafitových filmů během několika sekund kalením horkých pásů niklové fólie v ethanolu. Rychlost růstu těchto filmů je o více než dva řády vyšší než u stávajících metod a elektrická vodivost a mechanická pevnost filmů jsou srovnatelné s filmy vyrobenými chemickým nanášením z plynné fáze (CVD).
Všechna elektronická zařízení produkují určité elektromagnetické záření. S tím, jak se zařízení zmenšují a pracují na stále vyšších frekvencích, roste potenciál elektromagnetického rušení (EMI), které může nepříznivě ovlivnit výkon zařízení i blízkých elektronických systémů.
Grafit, alotrop uhlíku složený z vrstev grafenu držených pohromadě van der Waalsovými silami, má řadu pozoruhodných elektrických, tepelných a mechanických vlastností, které z něj činí účinný štít proti elektromagnetickému rušení. Aby však měl vysokou elektrickou vodivost, musí mít formu velmi tenkého filmu, což je důležité pro praktické aplikace v oblasti elektromagnetického rušení, protože to znamená, že materiál může odrážet a absorbovat elektromagnetické vlny, které interagují s nosiči náboje uvnitř něj.
V současné době zahrnují hlavní způsoby výroby grafitových filmů buď vysokoteplotní pyrolýzu aromatických polymerů, nebo vrstvení oxidu grafenu (GO) či grafenových nanolistů vrstvu po vrstvě. Oba procesy vyžadují vysoké teploty kolem 3000 °C a dobu zpracování hodinu. Při CVD jsou požadované teploty nižší (mezi 700 a 1300 °C), ale výroba nanometrových filmů trvá několik hodin, a to i ve vakuu.
Tým vedený Wencai Renem nyní vyrobil vysoce kvalitní grafitový film o tloušťce desítek nanometrů během několika sekund zahřátím niklové fólie na 1200 °C v argonové atmosféře a následným rychlým ponořením této fólie do ethanolu při 0 °C. Atomy uhlíku vzniklé rozkladem ethanolu difundují a rozpouštějí se v niklu díky vysoké rozpustnosti uhlíku v kovu (0,4 hmotnostních % při 1200 °C). Protože tato rozpustnost uhlíku při nízké teplotě výrazně klesá, atomy uhlíku se následně během kalení oddělují a srážejí z povrchu niklu, čímž vzniká silný grafitový film. Vědci uvádějí, že vynikající katalytická aktivita niklu také napomáhá tvorbě vysoce krystalického grafitu.
Ren a kolegové pomocí kombinace transmisní mikroskopie s vysokým rozlišením, rentgenové difrakce a Ramanovy spektroskopie zjistili, že grafit, který vyrobili, byl vysoce krystalický na velkých plochách, dobře vrstevnatý a neobsahoval žádné viditelné defekty. Elektronová vodivost filmu dosahovala až 2,6 x 10⁶ S/m, což je podobně jako u filmů vypěstovaných CVD nebo vysokoteplotními technikami a lisováním filmů GO/grafen.
Aby tým otestoval, jak dobře materiál dokáže blokovat elektromagnetické záření, přenesl filmy o ploše 600 mm² na substráty vyrobené z polyethylentereftalátu (PET). Poté změřili účinnost stínění EMI (SE) filmu ve frekvenčním rozsahu pásma X, mezi 8,2 a 12,4 GHz. Zjistili EMI SE více než 14,92 dB u filmu o tloušťce přibližně 77 nm. Tato hodnota se zvyšuje na více než 20 dB (minimální hodnota požadovaná pro komerční aplikace) v celém pásmu X, když naskládali více filmů dohromady. Film obsahující pět kusů naskládaných grafitových filmů (celkově o tloušťce přibližně 385 nm) má EMI SE přibližně 28 dB, což znamená, že materiál dokáže blokovat 99,84 % dopadajícího záření. Celkově tým naměřil EMI stínění 481 000 dB/cm²/g v celém pásmu X, čímž překonal všechny dříve popsané syntetické materiály.
Výzkumníci tvrdí, že podle jejich nejlepších znalostí je jejich grafitový film nejtenčí mezi hlášenými stínícími materiály s výkonem stínění proti elektromagnetickému rušení, který dokáže splnit požadavky pro komerční aplikace. Jeho mechanické vlastnosti jsou také příznivé. Lomová pevnost materiálu zhruba 110 MPa (získaná z křivek napětí a deformace materiálu umístěného na polykarbonátovém nosiči) je vyšší než u grafitových filmů vypěstovaných jinými metodami. Film je také flexibilní a lze jej 1000krát ohnout s poloměrem ohybu 5 mm, aniž by ztratil své stínící vlastnosti proti elektromagnetickému rušení. Je také tepelně stabilní až do 550 °C. Tým se domnívá, že tyto a další vlastnosti znamenají, že by mohl být použit jako ultratenký, lehký, flexibilní a účinný stínící materiál proti elektromagnetickému rušení pro aplikace v mnoha oblastech, včetně letectví a kosmonautiky, elektroniky a optoelektroniky.
Přečtěte si nejvýznamnější a nejzajímavější pokroky v materiálové vědě v tomto novém časopise s otevřeným přístupem.
Physics World představuje klíčovou součást poslání vydavatelství IOP Publishing, kterým je sdělovat výzkum a inovace světové úrovně co nejširšímu publiku. Webové stránky jsou součástí portfolia Physics World, což je soubor online, digitálních a tištěných informačních služeb pro globální vědeckou komunitu.
Čas zveřejnění: 7. května 2020