Σας ευχαριστούμε που εγγραφήκατε στο Physics World. Εάν θέλετε να αλλάξετε τα στοιχεία σας οποιαδήποτε στιγμή, επισκεφθείτε την ενότητα Ο λογαριασμός μου.
Οι μεμβράνες γραφίτη μπορούν να προστατεύσουν τις ηλεκτρονικές συσκευές από την ηλεκτρομαγνητική (EM) ακτινοβολία, αλλά οι τρέχουσες τεχνικές για την κατασκευή τους διαρκούν αρκετές ώρες και απαιτούν θερμοκρασίες επεξεργασίας περίπου 3000 °C. Μια ομάδα ερευνητών από το Εθνικό Εργαστήριο Επιστήμης Υλικών Shenyang στην Κινεζική Ακαδημία Επιστημών έχει πλέον επιδείξει έναν εναλλακτικό τρόπο κατασκευής μεμβρανών γραφίτη υψηλής ποιότητας σε λίγα μόνο δευτερόλεπτα, σβήνοντας θερμές λωρίδες φύλλου νικελίου σε αιθανόλη. Ο ρυθμός ανάπτυξης για αυτές τις μεμβράνες είναι περισσότερο από δύο τάξεις μεγέθους υψηλότερος από ό,τι στις υπάρχουσες μεθόδους, και η ηλεκτρική αγωγιμότητα και η μηχανική αντοχή των μεμβρανών είναι στο ίδιο επίπεδο με εκείνες των μεμβρανών που κατασκευάζονται με χημική εναπόθεση ατμών (CVD).
Όλες οι ηλεκτρονικές συσκευές παράγουν κάποια ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Καθώς οι συσκευές γίνονται ολοένα και μικρότερες και λειτουργούν σε όλο και υψηλότερες συχνότητες, η πιθανότητα ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών (EMI) αυξάνεται και μπορεί να επηρεάσει αρνητικά την απόδοση της συσκευής, καθώς και των κοντινών ηλεκτρονικών συστημάτων.
Ο γραφίτης, ένα αλλότροπο άνθρακα που κατασκευάζεται από στρώματα γραφενίου που συγκρατούνται μεταξύ τους μέσω δυνάμεων van der Waals, έχει μια σειρά από αξιοσημείωτες ηλεκτρικές, θερμικές και μηχανικές ιδιότητες που τον καθιστούν αποτελεσματική ασπίδα έναντι των ηλεκτρομαγνητικών ηλεκτρικών διαταραχών (EMI). Ωστόσο, πρέπει να έχει τη μορφή πολύ λεπτής μεμβράνης για να έχει υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα, κάτι που είναι σημαντικό για πρακτικές εφαρμογές EMI, επειδή σημαίνει ότι το υλικό μπορεί να αντανακλά και να απορροφά τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα καθώς αλληλεπιδρούν με τους φορείς φορτίου στο εσωτερικό του.
Προς το παρόν, οι κύριοι τρόποι κατασκευής μεμβράνης γραφίτη περιλαμβάνουν είτε πυρόλυση αρωματικών πολυμερών σε υψηλή θερμοκρασία είτε στοίβαξη οξειδίου του γραφενίου (GO) ή νανοφύλλων γραφενίου σε στρώση. Και οι δύο διαδικασίες απαιτούν υψηλές θερμοκρασίες περίπου 3000 °C και χρόνους επεξεργασίας μίας ώρας. Στην CVD, οι απαιτούμενες θερμοκρασίες είναι χαμηλότερες (μεταξύ 700 και 1300 °C), αλλά χρειάζονται μερικές ώρες για να κατασκευαστούν μεμβράνες πάχους νανομέτρου, ακόμη και σε κενό.
Μια ομάδα με επικεφαλής τον Wencai Ren έχει πλέον παράγει υψηλής ποιότητας μεμβράνη γραφίτη πάχους δεκάδων νανομέτρων μέσα σε λίγα δευτερόλεπτα, θερμαίνοντας το φύλλο νικελίου στους 1200 °C σε ατμόσφαιρα αργού και στη συνέχεια βυθίζοντας γρήγορα αυτό το φύλλο σε αιθανόλη στους 0 °C. Τα άτομα άνθρακα που παράγονται από την αποσύνθεση της αιθανόλης διαχέονται και διαλύονται στο νικέλιο χάρη στην υψηλή διαλυτότητα άνθρακα του μετάλλου (0,4% κ.β. στους 1200 °C). Επειδή αυτή η διαλυτότητα άνθρακα μειώνεται σημαντικά σε χαμηλή θερμοκρασία, τα άτομα άνθρακα στη συνέχεια διαχωρίζονται και καθιζάνουν από την επιφάνεια του νικελίου κατά την απόσβεση, παράγοντας μια παχιά μεμβράνη γραφίτη. Οι ερευνητές αναφέρουν ότι η εξαιρετική καταλυτική δράση του νικελίου βοηθά επίσης στον σχηματισμό γραφίτη υψηλής κρυσταλλικότητας.
Χρησιμοποιώντας έναν συνδυασμό μικροσκοπίας διέλευσης υψηλής ανάλυσης, περίθλασης ακτίνων Χ και φασματοσκοπίας Raman, ο Ren και οι συνεργάτες του διαπίστωσαν ότι ο γραφίτης που παρήγαγαν ήταν εξαιρετικά κρυσταλλικός σε μεγάλες περιοχές, καλά στρωματοποιημένος και δεν περιείχε ορατά ελαττώματα. Η αγωγιμότητα ηλεκτρονίων της μεμβράνης ήταν έως και 2,6 x 105 S/m, παρόμοια με τις μεμβράνες που αναπτύσσονται με τεχνικές CVD ή υψηλής θερμοκρασίας και συμπίεση μεμβρανών GO/γραφενίου.
Για να ελέγξουν πόσο καλά το υλικό μπορούσε να μπλοκάρει την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, η ομάδα μετέφερε μεμβράνες με επιφάνεια 600 mm2 σε υποστρώματα κατασκευασμένα από τερεφθαλικό πολυαιθυλένιο (PET). Στη συνέχεια, μέτρησαν την αποτελεσματικότητα θωράκισης ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (EMI) της μεμβράνης στην περιοχή συχνοτήτων της ζώνης Χ, μεταξύ 8,2 και 12,4 GHz. Βρήκαν EMI SE μεγαλύτερη από 14,92 dB για μια μεμβράνη πάχους περίπου 77 nm. Αυτή η τιμή αυξάνεται σε περισσότερα από 20 dB (η ελάχιστη τιμή που απαιτείται για εμπορικές εφαρμογές) σε ολόκληρη τη ζώνη Χ όταν στοίβαξαν περισσότερες μεμβράνες μαζί. Πράγματι, μια μεμβράνη που περιέχει πέντε κομμάτια στοιβαγμένων μεμβρανών γραφίτη (συνολικά πάχους περίπου 385 nm) έχει EMI SE περίπου 28 dB, πράγμα που σημαίνει ότι το υλικό μπορεί να μπλοκάρει το 99,84% της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Συνολικά, η ομάδα μέτρησε θωράκιση EMI 481.000 dB/cm2/g σε όλη τη ζώνη Χ, ξεπερνώντας όλα τα προηγουμένως αναφερόμενα συνθετικά υλικά.
Οι ερευνητές λένε ότι, κατά την καλύτερη γνώση τους, η μεμβράνη γραφίτη που έχουν δημιουργήσει είναι η λεπτότερη μεταξύ των αναφερόμενων υλικών θωράκισης, με απόδοση θωράκισης ηλεκτρομαγνητικής παρέμβυσσης (EMI) που μπορεί να ικανοποιήσει την απαίτηση για εμπορικές εφαρμογές. Οι μηχανικές της ιδιότητες είναι επίσης ευνοϊκές. Η αντοχή του υλικού σε θραύση, περίπου 110 MPa (που εξάγεται από τις καμπύλες τάσης-παραμόρφωσης του υλικού που τοποθετείται σε ένα πολυανθρακικό υπόστρωμα), είναι υψηλότερη από αυτή των μεμβρανών γραφίτη που αναπτύσσονται με τις άλλες μεθόδους. Η μεμβράνη είναι επίσης εύκαμπτη και μπορεί να καμφθεί 1000 φορές με ακτίνα κάμψης 5 mm χωρίς να χάσει τις ιδιότητες θωράκισης EMI. Είναι επίσης θερμικά σταθερή έως τους 550 °C. Η ομάδα πιστεύει ότι αυτές και άλλες ιδιότητες σημαίνουν ότι θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως ένα εξαιρετικά λεπτό, ελαφρύ, εύκαμπτο και αποτελεσματικό υλικό θωράκισης EMI για εφαρμογές σε πολλούς τομείς, συμπεριλαμβανομένης της αεροδιαστημικής, καθώς και της ηλεκτρονικής και της οπτοηλεκτρονικής.
Διαβάστε τις πιο σημαντικές και συναρπαστικές εξελίξεις στην επιστήμη των υλικών σε αυτό το νέο περιοδικό ανοιχτής πρόσβασης.
Το Physics World αντιπροσωπεύει ένα βασικό μέρος της αποστολής του IOP Publishing να επικοινωνεί την έρευνα και την καινοτομία παγκόσμιας κλάσης στο ευρύτερο δυνατό κοινό. Ο ιστότοπος αποτελεί μέρος του χαρτοφυλακίου Physics World, μιας συλλογής διαδικτυακών, ψηφιακών και έντυπων υπηρεσιών πληροφόρησης για την παγκόσμια επιστημονική κοινότητα.
Ώρα δημοσίευσης: 7 Μαΐου 2020