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Le pellicole di grafite possono proteggere 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 rapidamente strisce calde di lamina di nichel in etanolo. La velocità di crescita di queste pellicole è superiore di oltre due ordini di grandezza rispetto ai metodi esistenti, e la conduttività elettrica e la resistenza meccanica delle pellicole sono paragonabili a quelle delle pellicole realizzate mediante deposizione chimica da fase vapore (CVD).
Tutti i dispositivi elettronici producono una certa quantità di radiazioni elettromagnetiche. Man mano che i dispositivi diventano sempre più piccoli e operano a frequenze sempre più elevate, aumenta il potenziale di interferenza elettromagnetica (EMI), che può influire negativamente sulle prestazioni del dispositivo stesso, nonché su quelle dei sistemi elettronici vicini.
La grafite, un allotropo del carbonio costituito da strati di grafene tenuti insieme da forze di van der Waals, possiede una serie di notevoli proprietà elettriche, termiche e meccaniche che la rendono un efficace schermo contro le interferenze elettromagnetiche (EMI). Tuttavia, per avere un'elevata conduttività elettrica, aspetto fondamentale per le applicazioni pratiche di schermatura dalle EMI, è necessario che si presenti sotto forma di film molto sottile, poiché ciò significa che il materiale può riflettere e assorbire le onde elettromagnetiche interagendo con i portatori di carica al suo interno.
Attualmente, i principali metodi per la produzione di film di grafite prevedono la pirolisi ad alta temperatura di polimeri aromatici o la sovrapposizione strato per strato di ossido di grafene (GO) o nanofogli di grafene. Entrambi i processi richiedono temperature elevate, intorno ai 3000 °C, e tempi di lavorazione di un'ora. Nella deposizione chimica da fase vapore (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 è riuscito a produrre pellicole di grafite di alta qualità, spesse 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 in questo metallo (0,4% in peso a 1200 °C). Poiché questa solubilità del carbonio diminuisce notevolmente a basse temperature, gli atomi di carbonio si separano e precipitano dalla superficie del nichel durante il raffreddamento rapido, formando una spessa pellicola di grafite. I ricercatori affermano che l'eccellente attività catalitica del nichel contribuisce anche alla formazione di grafite altamente cristallina.
Utilizzando una combinazione di microscopia a trasmissione ad alta risoluzione, diffrazione di raggi X e spettroscopia Raman, Ren e colleghi hanno scoperto che la grafite da loro prodotta era altamente cristallina su ampie superfici, ben stratificata e priva di difetti visibili. La conduttività elettronica del film raggiungeva valori fino a 2,6 x 10⁵ S/m, simili a quelli dei film cresciuti tramite CVD o tecniche ad alta temperatura e pressatura di film di ossido di grafene/grafene.
Per testare l'efficacia del materiale nel bloccare le radiazioni elettromagnetiche, 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 nella banda di frequenza X, tra 8,2 e 12,4 GHz. Hanno riscontrato un'efficacia di schermatura EMI superiore a 14,92 dB per una pellicola di circa 77 nm di spessore. Questo valore aumenta a oltre 20 dB (il valore minimo richiesto per le applicazioni commerciali) nell'intera banda X quando hanno sovrapposto più pellicole. Infatti, una pellicola contenente cinque strati di pellicole di grafite sovrapposte (per uno spessore totale di circa 385 nm) ha un'efficacia di schermatura EMI di circa 28 dB, il che significa che il materiale può bloccare il 99,84% delle radiazioni incidenti. Complessivamente, il team ha misurato una schermatura EMI di 481.000 dB/cm²/g nell'intera banda X, superando tutti i materiali sintetici precedentemente riportati.
I ricercatori affermano che, a loro conoscenza, la loro pellicola di grafite è la più sottile tra i materiali di schermatura finora riportati, con prestazioni di schermatura EMI in grado di soddisfare i requisiti per le applicazioni commerciali. Anche le sue proprietà meccaniche sono favorevoli. La resistenza alla frattura del materiale, pari a circa 110 MPa (ricavata dalle curve sforzo-deformazione del materiale posizionato su un supporto in policarbonato), è superiore a quella delle pellicole di grafite prodotte con altri metodi. La pellicola è anche flessibile e può essere piegata 1000 volte con un raggio di curvatura di 5 mm senza perdere le sue proprietà di schermatura EMI. È inoltre termicamente stabile fino a 550 °C. Il team ritiene che queste e altre proprietà la rendano un materiale di schermatura EMI ultrasottile, leggero, flessibile ed efficace per applicazioni in molti settori, tra cui quello aerospaziale, elettronico e optoelettronico.
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Data di pubblicazione: 7 maggio 2020