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Graphitfolien können elektronische Geräte vor elektromagnetischer Strahlung abschirmen. Ihre Herstellung dauert mit gängigen Verfahren jedoch mehrere Stunden und erfordert Temperaturen von etwa 3000 °C. Ein Forscherteam des Shenyang National Laboratory for Materials Science der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat nun eine alternative Methode zur sekundenschnellen Herstellung hochwertiger Graphitfolien vorgestellt, indem heiße Nickelfolienstreifen in Ethanol abgeschreckt werden. Die Wachstumsrate dieser Folien ist mehr als zwei Größenordnungen höher als bei bestehenden Verfahren, und ihre elektrische Leitfähigkeit und mechanische Festigkeit entsprechen denen von durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) hergestellten Folien.
Alle elektronischen Geräte erzeugen elektromagnetische Strahlung. Da Geräte immer kleiner werden und mit immer höheren Frequenzen arbeiten, steigt das Potenzial für elektromagnetische Störungen (EMI) und kann die Leistung des Geräts sowie die benachbarter elektronischer Systeme beeinträchtigen.
Graphit, ein Kohlenstoff-Allotrop aus Graphenschichten, die durch Van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten werden, verfügt über eine Reihe bemerkenswerter elektrischer, thermischer und mechanischer Eigenschaften, die ihn zu einem wirksamen Schutz gegen elektromagnetische Störungen machen. Für eine hohe elektrische Leitfähigkeit muss Graphit jedoch als sehr dünner Film vorliegen. Dies ist für praktische EMI-Anwendungen wichtig, da das Material dadurch elektromagnetische Wellen reflektieren und absorbieren kann, wenn diese mit den Ladungsträgern in seinem Inneren interagieren.
Derzeit werden Graphitfilme hauptsächlich durch Hochtemperaturpyrolyse aromatischer Polymere oder durch schichtweises Aufschichten von Graphenoxid (GO) oder Graphen-Nanoschichten hergestellt. Beide Verfahren erfordern hohe Temperaturen von etwa 3000 °C und eine Verarbeitungszeit von einer Stunde. Bei der CVD sind die erforderlichen Temperaturen niedriger (zwischen 700 und 1300 °C), die Herstellung nanometerdicker Filme dauert jedoch selbst im Vakuum einige Stunden.
Ein Team um Wencai Ren hat nun innerhalb weniger Sekunden einen hochwertigen Graphitfilm mit einer Dicke von mehreren zehn Nanometern hergestellt, indem es Nickelfolie in einer Argonatmosphäre auf 1200 °C erhitzte und diese anschließend kurz in 0 °C kaltes Ethanol tauchte. Die bei der Zersetzung des Ethanols entstehenden Kohlenstoffatome diffundieren und lösen sich dank der hohen Kohlenstofflöslichkeit des Metalls (0,4 Gew.-% bei 1200 °C) im Nickel auf. Da diese Kohlenstofflöslichkeit bei niedrigen Temperaturen stark abnimmt, trennen sich die Kohlenstoffatome anschließend beim Abschrecken von der Nickeloberfläche und fallen aus, wodurch ein dicker Graphitfilm entsteht. Die Forscher berichten, dass die hervorragende katalytische Aktivität von Nickel auch die Bildung von hochkristallinem Graphit unterstützt.
Mithilfe einer Kombination aus hochauflösender Transmissionsmikroskopie, Röntgenbeugung und Raman-Spektroskopie stellten Ren und Kollegen fest, dass der von ihnen hergestellte Graphit großflächig hochkristallin, gut geschichtet und frei von sichtbaren Defekten war. Die Elektronenleitfähigkeit des Films betrug bis zu 2,6 x 105 S/m und ähnelte damit den Werten von Filmen, die durch CVD- oder Hochtemperaturverfahren sowie durch Pressen von GO/Graphen-Filmen hergestellt wurden.
Um zu testen, wie gut das Material elektromagnetische Strahlung blockieren kann, übertrug das Team Filme mit einer Oberfläche von 600 mm² auf Substrate aus Polyethylenterephthalat (PET). Dann maßen sie die EMI-Abschirmwirksamkeit (SE) des Films im Frequenzbereich des X-Bands zwischen 8,2 und 12,4 GHz. Sie ermittelten eine EMI-SE von über 14,92 dB für einen Film mit einer Dicke von etwa 77 nm. Dieser Wert steigt im gesamten X-Band auf über 20 dB (der für kommerzielle Anwendungen erforderliche Mindestwert). Tatsächlich hat ein Film, der aus fünf übereinander gestapelten Graphitfilmen besteht (insgesamt etwa 385 nm dick), eine EMI-SE von etwa 28 dB, was bedeutet, dass das Material 99,84 % der einfallenden Strahlung blockieren kann. Insgesamt maß das Team eine EMI-Abschirmung von 481.000 dB/cm²/g über das gesamte X-Band und übertraf damit alle bislang bekannten synthetischen Materialien.
Die Forscher sagen, dass ihr Graphitfilm ihres Wissens nach der dünnste aller bisher bekannten Abschirmmaterialien sei und eine EMI-Abschirmleistung aufweise, die den Anforderungen für kommerzielle Anwendungen genüge. Auch seine mechanischen Eigenschaften sind günstig. Die Bruchfestigkeit des Materials von rund 110 MPa (ermittelt aus Spannungs-Dehnungs-Kurven des auf einem Polycarbonatträger platzierten Materials) ist höher als die von Graphitfilmen, die mit anderen Methoden hergestellt wurden. Der Film ist außerdem flexibel und kann 1000-mal mit einem Biegeradius von 5 mm gebogen werden, ohne seine EMI-Abschirmeigenschaften zu verlieren. Außerdem ist er bis 550 °C thermisch stabil. Das Team ist überzeugt, dass diese und andere Eigenschaften bedeuten, dass er als ultradünnes, leichtes, flexibles und effektives EMI-Abschirmmaterial für Anwendungen in vielen Bereichen eingesetzt werden könnte, einschließlich der Luft- und Raumfahrt sowie der Elektronik und Optoelektronik.
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Beitragszeit: 07. Mai 2020