Tak for din tilmelding hos Physics World. Hvis du ønsker at ændre dine oplysninger når som helst, kan du besøge Min konto.
Grafitfilm kan beskytte elektroniske enheder mod elektromagnetisk (EM) stråling, men nuværende teknikker til fremstilling af dem tager flere timer og kræver forarbejdningstemperaturer på omkring 3000 °C. Et team af forskere fra Shenyang National Laboratory for Materials Science ved det kinesiske videnskabsakademi har nu demonstreret en alternativ måde at fremstille grafitfilm af høj kvalitet på blot få sekunder ved at afkøle varme strimler af nikkelfolie i ethanol. Væksthastigheden for disse film er mere end to størrelsesordener højere end i eksisterende metoder, og filmenes elektriske ledningsevne og mekaniske styrke er på niveau med film fremstillet ved hjælp af kemisk dampaflejring (CVD).
Alle elektroniske enheder producerer en vis grad af elektromagnetisk stråling. Efterhånden som enheder bliver mindre og fungerer ved højere og højere frekvenser, vokser potentialet for elektromagnetisk interferens (EMI), hvilket kan påvirke enhedens ydeevne negativt såvel som ydeevnen af nærliggende elektroniske systemer.
Grafit, en allotrop af kulstof opbygget af lag af grafen holdt sammen af van der Waals-kræfter, har en række bemærkelsesværdige elektriske, termiske og mekaniske egenskaber, der gør den til et effektivt skjold mod EMI. Den skal dog være i form af en meget tynd film for at have en høj elektrisk ledningsevne, hvilket er vigtigt for praktiske EMI-anvendelser, fordi det betyder, at materialet kan reflektere og absorbere elektromagnetiske bølger, når de interagerer med ladningsbærerne indeni det.
I øjeblikket involverer de primære metoder til fremstilling af grafitfilm enten højtemperaturpyrolyse af aromatiske polymerer eller lag på lag af grafenoxid (GO) eller grafen-nanoplader. Begge processer kræver høje temperaturer på omkring 3000 °C og en procestid på en time. Ved CVD er de nødvendige temperaturer lavere (mellem 700 og 1300 °C), men det tager et par timer at fremstille nanometertykke film, selv i vakuum.
Et team ledet af Wencai Ren har nu produceret grafitfilm af høj kvalitet med en tykkelse på flere nanometer på få sekunder ved at opvarme nikkelfolie til 1200 °C i en argonatmosfære og derefter hurtigt nedsænke folien i ethanol ved 0 °C. Kulstofatomerne, der produceres ved nedbrydningen af ethanol, diffunderer og opløses i nikkelen takket være metallets høje kulstofopløselighed (0,4 vægt% ved 1200 °C). Fordi denne kulstofopløselighed falder kraftigt ved lav temperatur, adskiller kulstofatomerne sig efterfølgende og udfældes fra nikkeloverfladen under bratkøling, hvilket producerer en tyk grafitfilm. Forskerne rapporterer, at nikkels fremragende katalytiske aktivitet også hjælper dannelsen af højkrystallinsk grafit.
Ved hjælp af en kombination af højopløsningstransmissionsmikroskopi, røntgendiffraktion og Ramanspektroskopi fandt Ren og kolleger, at den grafit, de producerede, var yderst krystallinsk over store områder, godt lagdelt og ikke indeholdt synlige defekter. Filmens elektronledningsevne var så høj som 2,6 x 105 S/m, svarende til film dyrket ved CVD eller højtemperaturteknikker og presning af GO/grafenfilm.
For at teste, hvor godt materialet kunne blokere EM-stråling, overførte holdet film med et overfladeareal på 600 mm2 til substrater lavet af polyethylenterephthalat (PET). De målte derefter filmens EMI-afskærmningseffektivitet (SE) i X-båndets frekvensområde, mellem 8,2 og 12,4 GHz. De fandt en EMI SE på mere end 14,92 dB for en film, der var cirka 77 nm tyk. Denne værdi stiger til mere end 20 dB (den minimale værdi, der kræves til kommercielle anvendelser) i hele X-båndet, når de stablede flere film sammen. Faktisk har en film, der indeholder fem stykker stablede grafitfilm (ca. 385 nm tykke i alt), en EMI SE på omkring 28 dB, hvilket betyder, at materialet kan blokere 99,84% af den indfaldende stråling. Samlet set målte holdet en EMI-afskærmning på 481.000 dB/cm2/g på tværs af X-båndet, hvilket overgik alle tidligere rapporterede syntetiske materialer.
Forskerne siger, at deres grafitfilm, så vidt de ved, er den tyndeste blandt rapporterede afskærmningsmaterialer med en EMI-afskærmningsydelse, der kan opfylde kravene til kommercielle anvendelser. Dens mekaniske egenskaber er også gunstige. Materialets brudstyrke på cirka 110 MPa (udtrukket fra spændings-tøjningskurver for materialet placeret på en polycarbonatunderstøtning) er højere end for grafitfilm dyrket med de andre metoder. Filmen er også fleksibel og kan bøjes 1000 gange med en bøjningsradius på 5 mm uden at miste sine EMI-afskærmningsegenskaber. Den er også termisk stabil op til 550 °C. Holdet mener, at disse og andre egenskaber betyder, at den kan bruges som et ultratyndt, let, fleksibelt og effektivt EMI-afskærmningsmateriale til anvendelser inden for mange områder, herunder luftfart samt elektronik og optoelektronik.
Læs de mest betydningsfulde og spændende fremskridt inden for materialevidenskab i dette nye open access-tidsskrift.
Physics World repræsenterer en central del af IOP Publishings mission om at formidle forskning og innovation i verdensklasse til det bredest mulige publikum. Hjemmesiden er en del af Physics Worlds portefølje, en samling af online, digitale og trykte informationstjenester til det globale videnskabelige samfund.
Opslagstidspunkt: 7. maj 2020