Kiitos rekisteröitymisestäsi Physics Worldiin. Jos haluat muuttaa tietojasi milloin tahansa, käy Oma tili -sivulla.
Grafiittikalvot voivat suojata elektronisia laitteita sähkömagneettiselta (EM) säteilyltä, mutta niiden nykyiset valmistustekniikat kestävät useita tunteja ja vaativat noin 3000 °C:n käsittelylämpötiloja. Kiinan tiedeakatemian Shenyangin kansallisen materiaalitieteen laboratorion tutkijaryhmä on nyt osoittanut vaihtoehtoisen tavan valmistaa korkealaatuisia grafiittikalvoja vain muutamassa sekunnissa sammuttamalla kuumia nikkelifolion nauhoja etanolissa. Näiden kalvojen kasvunopeus on yli kaksi kertaluokkaa suurempi kuin nykyisillä menetelmillä, ja kalvojen sähkönjohtavuus ja mekaaninen lujuus ovat samalla tasolla kuin kemiallisella höyrypinnoitusmenetelmällä (CVD) valmistettujen kalvojen.
Kaikki elektroniset laitteet tuottavat jonkin verran sähkömagneettista säteilyä. Laitteiden pienentyessä ja toimiessa yhä korkeammilla taajuuksilla sähkömagneettisten häiriöiden (EMI) mahdollisuus kasvaa ja voi vaikuttaa haitallisesti sekä laitteen että lähellä olevien elektronisten järjestelmien suorituskykyyn.
Grafiitti, hiilen allotrooppi, joka muodostuu van der Waalsin voimien yhteen sitomista grafeenikerroksista, omaa useita merkittäviä sähköisiä, lämpöön perustuvia ja mekaanisia ominaisuuksia, jotka tekevät siitä tehokkaan suojan sähkömagneettisia häiriöitä vastaan. Sen on kuitenkin oltava hyvin ohuen kalvon muodossa, jotta sillä olisi korkea sähkönjohtavuus, mikä on tärkeää käytännön sähkömagneettisten häiriöiden sovelluksissa, koska se tarkoittaa, että materiaali voi heijastaa ja absorboida sähkömagneettisia aaltoja, kun ne vuorovaikuttavat sen sisällä olevien varauksenkuljettajien kanssa.
Tällä hetkellä grafiittikalvon pääasialliset valmistustavat ovat joko aromaattisten polymeerien korkean lämpötilan pyrolyysi tai grafeenioksidin (GO) tai grafeenin nanosuojien kerros kerrokselta pinoaminen. Molemmat prosessit vaativat noin 3000 °C:n korkeita lämpötiloja ja tunnin käsittelyaikoja. CVD-menetelmässä vaaditut lämpötilat ovat alhaisemmat (700–1300 °C), mutta nanometrin paksuisten kalvojen valmistaminen kestää muutaman tunnin jopa tyhjiössä.
Wencai Renin johtama tutkimusryhmä on nyt tuottanut muutamassa sekunnissa kymmeniä nanometrejä paksun korkealaatuisen grafiittikalvon kuumentamalla nikkelifoliota 1200 °C:seen argonatmosfäärissä ja upottamalla tämän kalvon sitten nopeasti etanoliin 0 °C:ssa. Etanolin hajoamisesta syntyvät hiiliatomit diffundoituvat ja liukenevat nikkeliin metallin korkean hiililiukoisuuden ansiosta (0,4 painoprosenttia 1200 °C:ssa). Koska tämä hiilenliukoisuus heikkenee huomattavasti alhaisessa lämpötilassa, hiiliatomit erottuvat ja saostuvat nikkelin pinnalta sammutuksen aikana, jolloin muodostuu paksu grafiittikalvo. Tutkijat raportoivat, että nikkelin erinomainen katalyyttinen aktiivisuus auttaa myös erittäin kiteisen grafiitin muodostumisessa.
Käyttäen yhdistelmää korkean resoluution läpäisymikroskopiaa, röntgendiffraktiota ja Raman-spektroskopiaa, Ren ja kollegat havaitsivat, että heidän tuottamansa grafiitti oli erittäin kiteistä laajoilla alueilla, hyvin kerrostunutta eikä sisältänyt näkyviä virheitä. Kalvon elektronijohtavuus oli jopa 2,6 x 105 S/m, mikä oli samanlainen kuin CVD- tai korkean lämpötilan tekniikoilla ja GO/grafeenikalvojen puristuksella kasvatetuilla kalvoilla.
Testatakseen, kuinka hyvin materiaali pystyy estämään sähkömagneettista säteilyä, tutkimusryhmä siirsi pinta-alaltaan 600 mm2:n kalvoja polyeteenitereftalaatista (PET) valmistetuille alustoille. Sitten he mittasivat kalvon EMI-suojaustehokkuuden (SE) X-kaistan taajuusalueella 8,2–12,4 GHz. He havaitsivat yli 14,92 dB:n EMI-SE:n noin 77 nm paksuiselle kalvolle. Tämä arvo nousee yli 20 dB:iin (kaupallisiin sovelluksiin vaadittava vähimmäisarvo) koko X-kaistalla, kun he pinoavat lisää kalvoja yhteen. Kalvon, joka sisältää viisi pinottua grafiittikalvoa (yhteensä noin 385 nm paksu), EMI-SE on noin 28 dB, mikä tarkoittaa, että materiaali voi estää 99,84 % tulevasta säteilystä. Kaiken kaikkiaan tutkimusryhmä mittasi 481 000 dB/cm2/g:n EMI-suojauksen X-kaistalla, mikä ylittää kaikki aiemmin raportoidut synteettiset materiaalit.
Tutkijoiden mukaan heidän grafiittikalvonsa on heidän tietämyksensä mukaan ohuin raportoiduista suojausmateriaaleista, ja sen EMI-suojauskyky täyttää kaupallisten sovellusten vaatimukset. Myös sen mekaaniset ominaisuudet ovat suotuisat. Materiaalin murtolujuus, noin 110 MPa (saatu polykarbonaattialustalle asetetun materiaalin jännitys-venymäkäyristä), on korkeampi kuin muilla menetelmillä kasvatetuilla grafiittikalvoilla. Kalvo on myös joustava ja sitä voidaan taivuttaa 1000 kertaa 5 mm:n taivutussäteellä menettämättä EMI-suojausominaisuuksiaan. Se on myös termisesti stabiili jopa 550 °C:seen asti. Tiimi uskoo, että nämä ja muut ominaisuudet tarkoittavat, että sitä voitaisiin käyttää erittäin ohuena, kevyenä, joustavana ja tehokkaana EMI-suojausmateriaalina monilla aloilla, kuten ilmailu- ja avaruustekniikassa sekä elektroniikassa ja optoelektroniikassa.
Lue materiaalitieteen merkittävimmät ja jännittävimmät edistysaskeleet tästä uudesta avoimen saatavuuden julkaisusta.
Physics World on keskeinen osa IOP Publishingin missiota viestiä maailmanluokan tutkimuksesta ja innovaatioista mahdollisimman laajalle yleisölle. Verkkosivusto on osa Physics World -portfoliota, joka sisältää verkko-, digitaalisia ja painettuja tietopalveluita maailmanlaajuiselle tiedeyhteisölle.
Julkaisun aika: 7.5.2020