فیلم گرافیتی سریع رشد یافته، تابش الکترومغناطیسی را مسدود می‌کند

از ثبت نام شما در Physics World متشکریم. اگر مایل به تغییر اطلاعات خود در هر زمانی هستید، لطفاً به حساب کاربری من مراجعه کنید.

فیلم‌های گرافیتی می‌توانند دستگاه‌های الکترونیکی را از تابش الکترومغناطیسی (EM) محافظت کنند، اما تکنیک‌های فعلی برای ساخت آنها چندین ساعت طول می‌کشد و به دمای پردازش حدود 3000 درجه سانتیگراد نیاز دارد. تیمی از محققان آزمایشگاه ملی علوم مواد شنیانگ در آکادمی علوم چین اکنون با خنک کردن نوارهای داغ فویل نیکل در اتانول، روش جایگزینی برای ساخت فیلم‌های گرافیتی با کیفیت بالا تنها در چند ثانیه ارائه داده‌اند. سرعت رشد این فیلم‌ها بیش از دو برابر بیشتر از روش‌های موجود است و رسانایی الکتریکی و استحکام مکانیکی فیلم‌ها با فیلم‌های ساخته شده با استفاده از رسوب بخار شیمیایی (CVD) برابری می‌کند.

همه دستگاه‌های الکترونیکی مقداری تابش الکترومغناطیسی تولید می‌کنند. با کوچک‌تر شدن دستگاه‌ها و کار کردن آنها در فرکانس‌های بالاتر، احتمال تداخل الکترومغناطیسی (EMI) افزایش می‌یابد و می‌تواند بر عملکرد دستگاه و همچنین سیستم‌های الکترونیکی مجاور تأثیر منفی بگذارد.

گرافیت، آلوتروپی از کربن که از لایه‌های گرافن ساخته شده و توسط نیروهای وان در والس به هم متصل شده‌اند، دارای تعدادی خواص الکتریکی، حرارتی و مکانیکی قابل توجه است که آن را به یک سپر مؤثر در برابر EMI تبدیل می‌کند. با این حال، برای داشتن رسانایی الکتریکی بالا، باید به شکل یک فیلم بسیار نازک باشد، که برای کاربردهای عملی EMI مهم است زیرا به این معنی است که این ماده می‌تواند امواج EM را هنگام تعامل با حامل‌های بار درون خود، منعکس و جذب کند.

در حال حاضر، روش‌های اصلی ساخت لایه گرافیت شامل پیرولیز پلیمرهای آروماتیک در دمای بالا یا روی هم چیدن اکسید گرافن (GO) یا نانوصفحات گرافن به صورت لایه به لایه است. هر دو فرآیند به دمای بالای حدود ۳۰۰۰ درجه سانتیگراد و زمان پردازش یک ساعت نیاز دارند. در CVD، دمای مورد نیاز کمتر است (بین ۷۰۰ تا ۱۳۰۰ درجه سانتیگراد)، اما ساخت لایه‌های نانومتری، حتی در خلاء، چند ساعت طول می‌کشد.

تیمی به رهبری ونکای رن اکنون با گرم کردن فویل نیکل تا دمای 1200 درجه سانتیگراد در جو آرگون و سپس غوطه‌ور کردن سریع این فویل در اتانول با دمای 0 درجه سانتیگراد، در عرض چند ثانیه یک لایه گرافیت با کیفیت بالا به ضخامت ده‌ها نانومتر تولید کرده‌اند. اتم‌های کربن تولید شده از تجزیه اتانول به لطف حلالیت بالای کربن فلز (0.4 درصد وزنی در دمای 1200 درجه سانتیگراد) پخش و در نیکل حل می‌شوند. از آنجا که این حلالیت کربن در دمای پایین به شدت کاهش می‌یابد، اتم‌های کربن متعاقباً در طول کوئنچ از سطح نیکل جدا شده و رسوب می‌کنند و یک لایه گرافیت ضخیم تولید می‌کنند. محققان گزارش می‌دهند که فعالیت کاتالیزوری عالی نیکل همچنین به تشکیل گرافیت بسیار بلوری کمک می‌کند.

رن و همکارانش با استفاده از ترکیبی از میکروسکوپ عبوری با وضوح بالا، پراش اشعه ایکس و طیف‌سنجی رامان، دریافتند که گرافیت تولید شده در نواحی وسیع بسیار بلوری، به خوبی لایه‌بندی شده و هیچ نقص قابل مشاهده‌ای ندارد. رسانایی الکترونی این فیلم به اندازه 2.6 x 105 S/m بود، مشابه فیلم‌های رشد یافته با روش‌های CVD یا دمای بالا و پرس فیلم‌های GO/گرافن.

برای آزمایش اینکه این ماده چقدر می‌تواند تابش الکترومغناطیسی را مسدود کند، تیم تحقیقاتی لایه‌هایی با مساحت سطحی ۶۰۰ میلی‌متر مربع را روی زیرلایه‌هایی از جنس پلی‌اتیلن ترفتالات (PET) منتقل کردند. سپس آنها اثربخشی محافظتی EMI (SE) لایه را در محدوده فرکانس باند X، بین ۸.۲ تا ۱۲.۴ گیگاهرتز اندازه‌گیری کردند. آنها برای لایه‌ای با ضخامت تقریبی ۷۷ نانومتر، EMI SE بیش از ۱۴.۹۲ دسی‌بل را یافتند. این مقدار با روی هم قرار دادن لایه‌های بیشتر، در کل باند X به بیش از ۲۰ دسی‌بل (حداقل مقدار مورد نیاز برای کاربردهای تجاری) افزایش می‌یابد. در واقع، لایه‌ای حاوی پنج قطعه لایه گرافیتی انباشته شده (در مجموع با ضخامت حدود ۳۸۵ نانومتر) EMI SE حدود ۲۸ دسی‌بل دارد، به این معنی که این ماده می‌تواند ۹۹.۸۴٪ از تابش فرودی را مسدود کند. در مجموع، تیم تحقیقاتی، میزان محافظتی EMI را در باند X، ۴۸۱۰۰۰ دسی‌بل بر سانتی‌متر مربع بر گرم اندازه‌گیری کردند که از تمام مواد مصنوعی گزارش شده قبلی بهتر است.

محققان می‌گویند که تا جایی که می‌دانند، لایه گرافیتی آنها نازک‌ترین ماده محافظ گزارش‌شده در بین مواد محافظ EMI است که عملکرد محافظتی آن می‌تواند الزامات کاربردهای تجاری را برآورده کند. خواص مکانیکی آن نیز مطلوب است. مقاومت شکست این ماده تقریباً 110 مگاپاسکال (استخراج‌شده از منحنی‌های تنش-کرنش ماده قرار داده‌شده روی یک پایه پلی‌کربنات) بالاتر از لایه‌های گرافیتی رشدیافته با روش‌های دیگر است. این لایه همچنین انعطاف‌پذیر است و می‌تواند 1000 بار با شعاع خمش 5 میلی‌متر بدون از دست دادن خواص محافظتی EMI خود خم شود. همچنین از نظر حرارتی تا 550 درجه سانتیگراد پایدار است. این تیم معتقد است که این خواص و سایر خواص به این معنی است که می‌توان از آن به عنوان یک ماده محافظ EMI فوق نازک، سبک، انعطاف‌پذیر و مؤثر برای کاربردهایی در بسیاری از زمینه‌ها، از جمله هوافضا و همچنین الکترونیک و اپتوالکترونیک استفاده کرد.

مهم‌ترین و هیجان‌انگیزترین پیشرفت‌ها در علم مواد را در این مجله جدید با دسترسی آزاد بخوانید.

وب‌سایت Physics World بخش کلیدی از ماموریت انتشارات IOP برای انتقال تحقیقات و نوآوری‌های جهانی به گسترده‌ترین مخاطبان ممکن را نشان می‌دهد. این وب‌سایت بخشی از مجموعه Physics World، مجموعه‌ای از خدمات اطلاعاتی آنلاین، دیجیتال و چاپی برای جامعه علمی جهانی، را تشکیل می‌دهد.