סרט גרפיט שגדל במהירות חוסם קרינה אלקטרומגנטית

תודה שנרשמתם לעולם הפיזיקה. אם ברצונכם לשנות את פרטיכם בכל עת, אנא בקרו באתר "החשבון שלי".

סרטי גרפיט יכולים להגן על מכשירים אלקטרוניים מפני קרינה אלקטרומגנטית (EM), אך הטכניקות הנוכחיות לייצורם אורכות מספר שעות ודורשות טמפרטורות עיבוד של כ-3000 מעלות צלזיוס. צוות חוקרים מהמעבדה הלאומית למדעי החומרים בשניאנג באקדמיה הסינית למדעים הדגים כעת דרך חלופית לייצור סרטי גרפיט איכותיים תוך שניות ספורות בלבד על ידי כיבוי רצועות חמות של נייר כסף ניקל באתנול. קצב הגידול של סרטים אלה גבוה ביותר משני סדרי גודל מאשר בשיטות הקיימות, והמוליכות החשמלית והחוזק המכני של הסרטים דומים לאלה של סרטים המיוצרים באמצעות שקיעת אדים כימית (CVD).

כל המכשירים האלקטרוניים מייצרים קרינה אלקטרומגנטית מסוימת. ככל שהמכשירים הופכים קטנים יותר ויותר ופועלים בתדרים גבוהים יותר ויותר, הפוטנציאל להפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) גדל, ויכול להשפיע לרעה על ביצועי המכשיר כמו גם על ביצועי מערכות אלקטרוניות סמוכות.

גרפיט, אלוטרופ של פחמן הבנוי משכבות של גרפן המוחזקות יחד על ידי כוחות ואן דר ואלס, בעל מספר תכונות חשמליות, תרמיות ומכניות יוצאות דופן שהופכות אותו למגן יעיל מפני EMI. עם זאת, הוא צריך להיות בצורת שכבה דקה מאוד כדי שתהיה לו מוליכות חשמלית גבוהה, דבר שחשוב ליישומי EMI מעשיים מכיוון שזה אומר שהחומר יכול להחזיר ולספוג גלי אלקטרומגנטיים כשהם מקיימים אינטראקציה עם נושאי המטען שבתוכו.

כיום, הדרכים העיקריות לייצור סרטי גרפיט כוללות פירוליזה בטמפרטורה גבוהה של פולימרים ארומטיים או הצטברות שכבה אחר שכבה של ננו-גיליונות של תחמוצת גרפן (GO). שני התהליכים דורשים טמפרטורות גבוהות של כ-3000 מעלות צלזיוס וזמני עיבוד של שעה. ב-CVD, הטמפרטורות הנדרשות נמוכות יותר (בין 700 ל-1300 מעלות צלזיוס), אך ייצור סרטים בעובי ננומטרי לוקח מספר שעות, אפילו בוואקום.

צוות בראשות וונ-קאי רן ייצר כעת סרט גרפיט איכותי בעובי של עשרות ננומטרים תוך מספר שניות על ידי חימום נייר כסף ניקל ל-1200 מעלות צלזיוס באטמוספרת ארגון ולאחר מכן טבילה מהירה של נייר הכסף הזה באתנול בטמפרטורה של 0 מעלות צלזיוס. אטומי הפחמן הנוצרים מפירוק האתנול מתפזרים ומתמוססים לתוך הניקל הודות למסיסות הפחמנית הגבוהה של המתכת (0.4% משקלי ב-1200 מעלות צלזיוס). מכיוון שמסיסות הפחמן הזו פוחתת מאוד בטמפרטורה נמוכה, אטומי הפחמן מתפרדים לאחר מכן ומשקיעים מפני השטח של הניקל במהלך הכיבוי, ויוצרים סרט גרפיט עבה. החוקרים מדווחים כי הפעילות הקטליטית המצוינת של ניקל מסייעת גם להיווצרות גרפיט גבישי ביותר.

באמצעות שילוב של מיקרוסקופיית מעבר ברזולוציה גבוהה, דיפרקציית קרני רנטגן וספקטרוסקופיית ראמאן, רן ועמיתיו מצאו שהגרפיט שיצרו היה גבישי מאוד על פני שטחים גדולים, מרובד היטב וללא פגמים גלויים. מוליכות האלקטרונים של הסרט הייתה גבוהה עד 2.6 x 105 S/m, בדומה לסרטים שגודלו בטכניקות CVD או טמפרטורה גבוהה ודחיסה של סרטי GO/גרפן.

כדי לבדוק עד כמה החומר יכול לחסום קרינת אלקטרומגנטית (EMI), הצוות העביר סרטים בעלי שטח פנים של 600 מ"מ רבוע על גבי מצעים העשויים פוליאתילן טרפתאלט (PET). לאחר מכן הם מדדו את יעילות המיגון EMI (SE) של הסרט בטווח התדרים של פס ה-X, בין 8.2 ל-12.4 גיגה-הרץ. הם מצאו EMI SE של יותר מ-14.92 dB עבור סרט בעובי של כ-77 ננומטר. ערך זה עולה ליותר מ-20 dB (הערך המינימלי הנדרש ליישומים מסחריים) בכל פס ה-X כאשר הם ערמו יותר סרטים יחד. ואכן, סרט המכיל חמש חתיכות של סרטי גרפיט מוערמים (בעובי כולל של כ-385 ננומטר) בעל EMI SE של כ-28 dB, מה שאומר שהחומר יכול לחסום 99.84% מהקרינה הפוגעת. בסך הכל, הצוות מדד מיגון EMI של 481,000 dB/cm2/g על פני פס ה-X, ובכך עלה על כל החומרים הסינתטיים שדווחו בעבר.

החוקרים אומרים שלמיטב ידיעתם, סרט הגרפיט שלהם הוא הדק ביותר מבין חומרי המיגון שדווחו, עם ביצועי מיגון EMI שיכולים לענות על הדרישה ליישומים מסחריים. גם התכונות המכניות שלו חיוביות. חוזק השבירה של החומר, העומד על כ-110 מגה פסקל (הנלקח מעקומות מאמץ-מעוות של החומר המונח על תמיכת פוליקרבונט), גבוה מזה של סרטי גרפיט שגודלו בשיטות האחרות. הסרט גמיש גם כן, וניתן לכופף אותו 1000 פעמים ברדיוס כיפוף של 5 מ"מ מבלי לאבד את תכונות המיגון EMI שלו. הוא גם יציב תרמית עד 550 מעלות צלזיוס. הצוות מאמין שתכונות אלו ואחרות מאפשרות להשתמש בו כחומר מיגון EMI דק במיוחד, קל משקל, גמיש ויעיל עבור יישומים בתחומים רבים, כולל תעופה וחלל, כמו גם אלקטרוניקה ואופטואלקטרוניקה.

קראו את ההתקדמויות המשמעותיות והמרגשות ביותר במדעי החומרים בכתב עת חדש זה עם גישה פתוחה.

Physics World מייצג חלק מרכזי במשימתה של IOP Publishing לתקשר מחקר וחדשנות ברמה עולמית לקהל הרחב ביותר האפשרי. האתר מהווה חלק מתיק העבודות של Physics World, אוסף של שירותי מידע מקוונים, דיגיטליים ודפוסים עבור הקהילה המדעית העולמית.