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グラファイト膜は電子機器を電磁波から遮蔽する効果があるが、現在の製造方法では数時間かかり、処理温度は約3000℃にも達する。中国科学院瀋陽材料科学国家重点実験室の研究チームは、ニッケル箔の熱したストリップをエタノールで急冷することで、わずか数秒で高品質のグラファイト膜を作製できる新たな方法を実証した。この膜の成長速度は既存の方法よりも2桁以上速く、電気伝導率と機械的強度は化学気相成長法（CVD）で作製した膜と同等である。
すべての電子機器は、何らかの電磁波を放出します。機器が小型化し、動作周波数が高くなるにつれて、電磁干渉（EMI）の可能性が高まり、機器自体の性能だけでなく、近隣の電子システムの性能にも悪影響を及ぼす可能性があります。
グラファイトは、ファンデルワールス力で結合したグラフェン層からなる炭素の同素体であり、優れた電気的、熱的、機械的特性を数多く備えているため、電磁干渉（EMI）に対する効果的なシールド材となります。しかし、高い電気伝導率を実現するには、非常に薄い膜状にする必要があります。これは、材料内部の電荷キャリアとの相互作用によって電磁波を反射・吸収できるため、実用的なEMI対策において重要な要素となります。
現在、グラファイト膜を製造する主な方法は、芳香族ポリマーの高温熱分解、または酸化グラフェン（GO）やグラフェンナノシートを層状に積み重ねる方法のいずれかである。どちらの方法も、約3000℃の高温と1時間程度の処理時間を必要とする。CVDでは、必要な温度は700～1300℃と低いが、真空下であってもナノメートル厚の膜を作るのに数時間かかる。
ウェンツァイ・レン率いる研究チームは、ニッケル箔をアルゴン雰囲気中で1200℃まで加熱し、その後0℃のエタノールに急速に浸漬することで、わずか数秒で数十ナノメートル厚の高品質グラファイト膜を生成することに成功した。エタノールの分解によって生成された炭素原子は、ニッケルの高い炭素溶解度（1200℃で0.4重量%）のおかげで拡散し、ニッケル中に溶解する。低温では炭素溶解度が大幅に低下するため、冷却中に炭素原子はニッケル表面から分離・析出し、厚いグラファイト膜が形成される。研究者らは、ニッケルの優れた触媒活性も高結晶性グラファイトの形成に寄与していると報告している。
レン氏らは、高解像度透過型顕微鏡、X線回折、ラマン分光法を組み合わせることで、作製したグラファイトが広い範囲にわたって高い結晶性を持ち、層状構造が良好で、目に見える欠陥が全くないことを発見した。この膜の電子伝導率は2.6×10⁵ S/mと高く、CVD法や高温技術、GO/グラフェン膜のプレス成形によって作製された膜と同程度であった。
研究チームは、この材料が電磁波をどれだけ効果的に遮断できるかをテストするため、表面積600 mm2のフィルムをポリエチレンテレフタレート（PET）製の基板に転写しました。次に、8.2～12.4 GHzのXバンド周波数帯域でフィルムのEMI遮蔽効果（SE）を測定しました。厚さ約77 nmのフィルムで14.92 dBを超えるEMI SEが得られました。フィルムを重ねると、この値はXバンド全体で20 dB以上（商用用途に必要な最小値）に増加します。実際、5枚のグラファイトフィルムを重ねたフィルム（合計厚さ約385 nm）では、EMI SEが約28 dBとなり、入射放射の99.84%を遮断できることを意味します。全体として、研究チームはXバンド全体で481,000 dB/cm2/gのEMI遮蔽を測定し、これまで報告されたすべての合成材料を上回りました。
研究者らは、彼らの知る限り、今回開発したグラファイトフィルムは報告されている遮蔽材料の中で最も薄く、商用用途の要件を満たすEMI遮蔽性能を備えていると述べている。機械的特性も良好である。ポリカーボネート支持体上に置いた材料の応力-ひずみ曲線から得られた約110MPaの破壊強度は、他の方法で成長させたグラファイトフィルムよりも高い。また、このフィルムは柔軟性にも優れており、EMI遮蔽特性を損なうことなく、曲げ半径5mmで1000回曲げることができる。さらに、550℃までの耐熱性も備えている。研究チームは、これらの特性などから、このフィルムは航空宇宙、電子機器、光電子機器など、多くの分野で超薄型、軽量、柔軟で効果的なEMI遮蔽材料として使用できると考えている。
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投稿日時：2020年5月7日