Grazie per esserti registrato su Physics World. Se desideri modificare i tuoi dati in qualsiasi momento, visita la sezione Il mio account.
Le pellicole di grafite possono schermare i dispositivi elettronici dalle radiazioni elettromagnetiche (EM), ma le attuali tecniche di produzione richiedono diverse ore e temperature di lavorazione di circa 3000 °C. Un team di ricercatori del Laboratorio Nazionale di Scienza dei Materiali di Shenyang presso l'Accademia Cinese delle Scienze ha ora dimostrato un metodo alternativo per realizzare pellicole di grafite di alta qualità in pochi secondi, raffreddando strisce calde di lamina di nichel in etanolo. Il tasso di crescita di queste pellicole è di oltre due ordini di grandezza superiore rispetto ai metodi esistenti, e la conduttività elettrica e la resistenza meccanica delle pellicole sono paragonabili a quelle delle pellicole realizzate con la deposizione chimica da vapore (CVD).
Tutti i dispositivi elettronici producono radiazioni elettromagnetiche (EM). Man mano che i dispositivi diventano sempre più piccoli e operano a frequenze sempre più elevate, il potenziale di interferenza elettromagnetica (EMI) aumenta, e può influire negativamente sulle prestazioni del dispositivo e su quelle dei sistemi elettronici circostanti.
La grafite, un allotropo del carbonio costituito da strati di grafene tenuti insieme dalle forze di van der Waals, possiede una serie di notevoli proprietà elettriche, termiche e meccaniche che la rendono uno scudo efficace contro le interferenze elettromagnetiche (EMI). Tuttavia, deve presentarsi sotto forma di un film molto sottile per avere un'elevata conduttività elettrica, il che è importante per le applicazioni pratiche EMI, poiché significa che il materiale può riflettere e assorbire le onde elettromagnetiche quando interagiscono con i portatori di carica al suo interno.
Attualmente, i principali metodi per produrre film di grafite prevedono la pirolisi ad alta temperatura di polimeri aromatici o l'impilamento di ossido di grafene (GO) o nanosfoglie di grafene strato per strato. Entrambi i processi richiedono temperature elevate, intorno ai 3000 °C, e tempi di lavorazione di un'ora. Nella deposizione chimica (CVD), le temperature richieste sono inferiori (tra 700 e 1300 °C), ma occorrono alcune ore per realizzare film di spessore nanometrico, anche sotto vuoto.
Un team guidato da Wencai Ren ha ora prodotto una pellicola di grafite di alta qualità, spessa decine di nanometri, in pochi secondi, riscaldando una lamina di nichel a 1200 °C in atmosfera di argon e immergendola rapidamente in etanolo a 0 °C. Gli atomi di carbonio prodotti dalla decomposizione dell'etanolo diffondono e si dissolvono nel nichel grazie all'elevata solubilità del carbonio del metallo (0,4% in peso a 1200 °C). Poiché questa solubilità del carbonio diminuisce notevolmente a bassa temperatura, gli atomi di carbonio si separano e precipitano dalla superficie del nichel durante la tempra, producendo una spessa pellicola di grafite. I ricercatori riferiscono che l'eccellente attività catalitica del nichel favorisce anche la formazione di grafite altamente cristallina.
Utilizzando una combinazione di microscopia a trasmissione ad alta risoluzione, diffrazione dei raggi X e spettroscopia Raman, Ren e colleghi hanno scoperto che la grafite prodotta era altamente cristallina su ampie superfici, ben stratificata e priva di difetti visibili. La conduttività elettronica del film era pari a 2,6 x 105 S/m, simile a quella dei film ottenuti con tecniche di deposizione chimica (CVD) o ad alta temperatura e pressatura di film di grafite gonioalfa/grafene.
Per testare l'efficacia del materiale nel bloccare le radiazioni elettromagnetiche (EM), il team ha trasferito pellicole con una superficie di 600 mm² su substrati di polietilene tereftalato (PET). Hanno quindi misurato l'efficacia di schermatura EMI (SE) della pellicola nell'intervallo di frequenza della banda X, tra 8,2 e 12,4 GHz. Hanno rilevato una SE EMI di oltre 14,92 dB per una pellicola di circa 77 nm di spessore. Questo valore aumenta a oltre 20 dB (il valore minimo richiesto per applicazioni commerciali) nell'intera banda X quando più pellicole sono state impilate insieme. Infatti, una pellicola contenente cinque pezzi di pellicole di grafite impilate (circa 385 nm di spessore totale) ha una SE EMI di circa 28 dB, il che significa che il materiale può bloccare il 99,84% della radiazione incidente. Nel complesso, il team ha misurato una schermatura EMI di 481.000 dB/cm²/g in banda X, superando tutti i materiali sintetici precedentemente riportati.
I ricercatori affermano che, a loro conoscenza, il loro film di grafite è il più sottile tra i materiali schermanti segnalati, con prestazioni di schermatura EMI in grado di soddisfare i requisiti per applicazioni commerciali. Anche le sue proprietà meccaniche sono favorevoli. La resistenza alla frattura del materiale di circa 110 MPa (desunta dalle curve sforzo-deformazione del materiale posto su un supporto in policarbonato) è superiore a quella dei film di grafite prodotti con altri metodi. Il film è anche flessibile e può essere piegato 1000 volte con un raggio di curvatura di 5 mm senza perdere le sue proprietà di schermatura EMI. È anche termicamente stabile fino a 550 °C. Il team ritiene che queste e altre proprietà ne consentano l'utilizzo come materiale di schermatura EMI ultrasottile, leggero, flessibile ed efficace per applicazioni in numerosi settori, tra cui l'aerospaziale, l'elettronica e l'optoelettronica.
Scopri i progressi più significativi ed entusiasmanti nella scienza dei materiali in questa nuova rivista open access.
Physics World rappresenta un elemento fondamentale della missione di IOP Publishing: comunicare la ricerca e l'innovazione di livello mondiale al più vasto pubblico possibile. Il sito web fa parte del portfolio di Physics World, una raccolta di servizi informativi online, digitali e cartacei per la comunità scientifica globale.
Data di pubblicazione: 07-05-2020