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Las películas de grafito pueden proteger los dispositivos electrónicos de la radiación electromagnética (EM), pero las técnicas actuales de fabricación requieren varias horas y temperaturas de procesamiento de alrededor de 3000 °C. Un equipo de investigadores del Laboratorio Nacional de Ciencia de Materiales de Shenyang, perteneciente a la Academia China de Ciencias, ha demostrado una alternativa para fabricar películas de grafito de alta calidad en tan solo unos segundos mediante el temple de láminas de níquel en etanol. La velocidad de crecimiento de estas películas es más de dos órdenes de magnitud superior a la de los métodos existentes, y su conductividad eléctrica y resistencia mecánica son comparables a las de las películas fabricadas mediante deposición química en fase de vapor (CVD).
Todos los dispositivos electrónicos producen radiación electromagnética. A medida que los dispositivos se hacen cada vez más pequeños y operan a frecuencias cada vez más altas, aumenta el potencial de interferencia electromagnética (EMI), lo que puede afectar negativamente el rendimiento del dispositivo y de los sistemas electrónicos cercanos.
El grafito, un alótropo del carbono formado a partir de capas de grafeno unidas por fuerzas de van der Waals, posee notables propiedades eléctricas, térmicas y mecánicas que lo convierten en un escudo eficaz contra las interferencias electromagnéticas (EMI). Sin embargo, debe estar en forma de una película muy delgada para que tenga una alta conductividad eléctrica, lo cual es importante para aplicaciones prácticas de EMI, ya que significa que el material puede reflejar y absorber las ondas electromagnéticas al interactuar con los portadores de carga en su interior.
Actualmente, los principales métodos para fabricar películas de grafito implican la pirólisis a alta temperatura de polímeros aromáticos o el apilamiento de óxido de grafeno (GO) o nanoláminas de grafeno capa a capa. Ambos procesos requieren altas temperaturas, de alrededor de 3000 °C, y tiempos de procesamiento de una hora. En la deposición química de vapor (CVD), las temperaturas requeridas son más bajas (entre 700 y 1300 °C), pero se necesitan varias horas para fabricar películas de espesor nanométrico, incluso al vacío.
Un equipo dirigido por Wencai Ren ha producido una película de grafito de alta calidad de decenas de nanómetros de espesor en cuestión de segundos. Para ello, calienta una lámina de níquel a 1200 °C en atmósfera de argón y luego la sumerge rápidamente en etanol a 0 °C. Los átomos de carbono producidos por la descomposición del etanol se difunden y se disuelven en el níquel gracias a su alta solubilidad en carbono (0,4 % en peso a 1200 °C). Dado que esta solubilidad en carbono disminuye considerablemente a baja temperatura, los átomos de carbono se segregan y precipitan posteriormente de la superficie del níquel durante el temple, produciendo una gruesa película de grafito. Los investigadores informan que la excelente actividad catalítica del níquel también favorece la formación de grafito altamente cristalino.
Mediante una combinación de microscopía de transmisión de alta resolución, difracción de rayos X y espectroscopia Raman, Ren y sus colegas descubrieron que el grafito que produjeron era altamente cristalino en grandes áreas, bien estratificado y sin defectos visibles. La conductividad electrónica de la película alcanzó 2,6 x 10⁻¹ S/m, similar a la de las películas obtenidas mediante deposición química de vapor (CVD) o técnicas de alta temperatura y prensado de películas de GO/grafeno.
Para probar qué tan bien el material podría bloquear la radiación EM, el equipo transfirió películas con un área superficial de 600 mm² sobre sustratos hechos de tereftalato de polietileno (PET). Luego midieron la efectividad de blindaje EMI (SE) de la película en el rango de frecuencia de la banda X, entre 8,2 y 12,4 GHz. Encontraron una SE EMI de más de 14,92 dB para una película de aproximadamente 77 nm de espesor. Este valor aumenta a más de 20 dB (el valor mínimo requerido para aplicaciones comerciales) en toda la banda X cuando apilaron más películas juntas. De hecho, una película que contiene cinco piezas de películas de grafito apiladas (alrededor de 385 nm de espesor en total) tiene una SE EMI de alrededor de 28 dB, lo que significa que el material puede bloquear el 99,84% de la radiación incidente. En general, el equipo midió un blindaje EMI de 481.000 dB/cm²/g en la banda X, superando a todos los materiales sintéticos informados anteriormente.
Los investigadores afirman que, hasta donde saben, su película de grafito es la más delgada entre los materiales de blindaje reportados, con un rendimiento de blindaje EMI que puede satisfacer el requisito de aplicaciones comerciales. Sus propiedades mecánicas también son favorables. La resistencia a la fractura del material de aproximadamente 110 MPa (extraída de las curvas de tensión-deformación del material colocado sobre un soporte de policarbonato) es mayor que la de las películas de grafito cultivadas por los otros métodos. La película también es flexible y puede doblarse 1000 veces con un radio de curvatura de 5 mm sin perder sus propiedades de blindaje EMI. También es térmicamente estable hasta 550 °C. El equipo cree que estas y otras propiedades significan que podría usarse como un material de blindaje EMI ultradelgado, ligero, flexible y efectivo para aplicaciones en muchas áreas, incluyendo la aeroespacial, así como la electrónica y la optoelectrónica.
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Hora de publicación: 07-May-2020