Köszönjük, hogy regisztrált a Physics World oldalon. Ha bármikor módosítani szeretné adatait, kérjük, látogasson el a Fiókom oldalra.
A grafitfóliák képesek megvédeni az elektronikus eszközöket az elektromágneses (EM) sugárzástól, de a jelenlegi gyártási technikák több órát vesznek igénybe, és körülbelül 3000 °C-os feldolgozási hőmérsékletet igényelnek. A Kínai Tudományos Akadémia Shenyang Nemzeti Anyagtudományi Laboratóriumának kutatócsoportja most bemutatott egy alternatív módszert kiváló minőségű grafitfóliák előállítására mindössze néhány másodperc alatt, nikkelfólia forró csíkjainak etanolban történő kioltásával. Ezeknek a fóliáknak a növekedési sebessége több mint két nagyságrenddel magasabb, mint a meglévő módszereknél, és a fóliák elektromos vezetőképessége és mechanikai szilárdsága megegyezik a kémiai gőzfázisú leválasztással (CVD) készült fóliákéval.
Minden elektronikus eszköz bocsát ki valamilyen elektromágneses sugárzást. Ahogy az eszközök egyre kisebbek lesznek és egyre magasabb frekvenciákon működnek, az elektromágneses interferencia (EMI) lehetősége növekszik, és hátrányosan befolyásolhatja mind az eszköz, mind a közeli elektronikus rendszerek teljesítményét.
A grafit, a szén egy allotróp formája, amelyet van der Waals-erők tartanak össze grafénrétegekből, számos figyelemre méltó elektromos, termikus és mechanikai tulajdonsággal rendelkezik, amelyek hatékony árnyékolást biztosítanak az elektromágneses interferencia (EMI) ellen. Azonban nagyon vékony film formájában kell lennie ahhoz, hogy magas elektromos vezetőképességgel rendelkezzen, ami fontos a gyakorlati EMI-alkalmazások szempontjából, mivel ez azt jelenti, hogy az anyag képes visszaverni és elnyelni az EM-hullámokat, amikor azok kölcsönhatásba lépnek a benne lévő töltéshordozókkal.
Jelenleg a grafitfilm előállításának fő módszerei az aromás polimerek magas hőmérsékletű pirolízise, vagy a grafén (GO)-oxid vagy grafén nanoszálak rétegenkénti egymásra rakása. Mindkét eljárás körülbelül 3000 °C-os magas hőmérsékletet és egy órás feldolgozási időt igényel. A CVD-ben a szükséges hőmérsékletek alacsonyabbak (700 és 1300 °C között), de a nanométer vastagságú filmek előállítása néhány órát vesz igénybe, még vákuumban is.
Egy Wencai Ren vezette kutatócsoport néhány másodperc alatt több tíz nanométer vastag, kiváló minőségű grafitfilmet állított elő úgy, hogy nikkelfóliát 1200 °C-ra hevített argonatmoszférában, majd ezt a fóliát gyorsan 0 °C-os etanolba merítette. Az etanol bomlása során keletkező szénatomok diffundálnak és feloldódnak a nikkelben a fém magas szénoldhatóságának köszönhetően (0,4 tömeg% 1200 °C-on). Mivel ez a szénoldhatóság alacsony hőmérsékleten jelentősen csökken, a szénatomok ezt követően elkülönülnek és kicsapódnak a nikkel felületéről a kioltás során, vastag grafitfilmet képezve. A kutatók arról számolnak be, hogy a nikkel kiváló katalitikus aktivitása a magas kristályosságú grafit képződését is elősegíti.
Nagy felbontású transzmissziós mikroszkópia, röntgendiffrakció és Raman-spektroszkópia kombinációjával Ren és kollégái azt találták, hogy az általuk előállított grafit nagy területeken erősen kristályos, jól rétegzett, és nem tartalmazott látható hibákat. A film elektronvezető képessége elérte a 2,6 x 105 S/m-t, hasonlóan a CVD-vel vagy magas hőmérsékletű technikákkal és GO/grafén filmek préselésével növesztett filmekhez.
Az anyag elektromágneses sugárzás blokkolásának hatékonyságát tesztelve a csapat 600 mm2 felületű fóliákat vitt fel polietilén-tereftalátból (PET) készült hordozókra. Ezután megmérték a fólia EMI-árnyékolási hatékonyságát (SE) az X-sáv frekvenciatartományában, 8,2 és 12,4 GHz között. Egy körülbelül 77 nm vastag fólia esetében több mint 14,92 dB EMI-árnyékolási hatékonyságot (SE) értek el. Ez az érték több mint 20 dB-re (a kereskedelmi alkalmazásokhoz szükséges minimális értékre) nőtt a teljes X-sávban, amikor több fóliát egymásra halmoztak. Valójában egy öt darab egymásra halmozott grafitfóliát (összesen körülbelül 385 nm vastag) tartalmazó fólia EMI-árnyékolási hatékonysága körülbelül 28 dB, ami azt jelenti, hogy az anyag a beeső sugárzás 99,84%-át képes blokkolni. Összességében a csapat 481 000 dB/cm2/g EMI-árnyékolást mért az X-sávban, ami felülmúlta az összes korábban jelentett szintetikus anyagot.
A kutatók azt állítják, hogy legjobb tudásuk szerint grafitfilmjük a legvékonyabb az ismert árnyékoló anyagok közül, olyan EMI-árnyékolási teljesítménnyel, amely kielégíti a kereskedelmi alkalmazások követelményeit. Mechanikai tulajdonságai is kedvezőek. Az anyag körülbelül 110 MPa-s törési szilárdsága (a polikarbonát hordozóra helyezett anyag feszültség-nyúlás görbéiből kivonva) magasabb, mint a más módszerekkel növesztett grafitfilmeké. A film rugalmas is, és 5 mm-es hajlítási sugárral 1000-szer hajlítható anélkül, hogy elveszítené EMI-árnyékoló tulajdonságait. 550 °C-ig hőstabil is. A csapat úgy véli, hogy ezek és más tulajdonságok azt jelentik, hogy ultravékony, könnyű, rugalmas és hatékony EMI-árnyékoló anyagként használható számos területen, beleértve a repülőgépipart, valamint az elektronikát és az optoelektronikát.
Olvasd el az anyagtudomány legjelentősebb és legizgalmasabb eredményeit ebben az új, nyílt hozzáférésű folyóiratban.
A Physics World kulcsfontosságú részét képezi az IOP Publishing azon küldetésének, hogy a világszínvonalú kutatást és innovációt a lehető legszélesebb közönséghez juttassa el. A weboldal a Physics World portfóliójának része, amely online, digitális és nyomtatott információs szolgáltatások gyűjteménye a globális tudományos közösség számára.
Közzététel ideje: 2020. május 7.