სწრაფად გაზრდილი გრაფიტის ფენა ბლოკავს ელექტრომაგნიტურ გამოსხივებას

გმადლობთ, რომ დარეგისტრირდით Physics World-ში. თუ გსურთ თქვენი მონაცემების შეცვლა ნებისმიერ დროს, გთხოვთ, ეწვიოთ ჩემს ანგარიშს.

გრაფიტის ფირებს შეუძლიათ ელექტრონული მოწყობილობების დაცვა ელექტრომაგნიტური (EM) გამოსხივებისგან, თუმცა მათი წარმოების ამჟამინდელი ტექნიკა რამდენიმე საათს მოითხოვს და დაახლოებით 3000°C დამუშავების ტემპერატურას. ჩინეთის მეცნიერებათა აკადემიის შენიანგის ეროვნული მასალათმცოდნეობის ლაბორატორიის მკვლევართა ჯგუფმა ახლახანს აჩვენა მაღალი ხარისხის გრაფიტის ფირების დამზადების ალტერნატიული გზა სულ რაღაც რამდენიმე წამში ნიკელის ფოლგის ცხელი ზოლების ეთანოლში ჩაქრობით. ამ ფირების ზრდის ტემპი ორჯერ მეტია, ვიდრე არსებულ მეთოდებში, ხოლო ფირების ელექტროგამტარობა და მექანიკური სიმტკიცე ქიმიური ორთქლის დეპონირების (CVD) გამოყენებით დამზადებული ფირების ზრდის ტემპს უტოლდება.

ყველა ელექტრონული მოწყობილობა გარკვეულ ელექტრომაგნიტურ გამოსხივებას გამოყოფს. რადგან მოწყობილობები სულ უფრო პატარავდებიან და სულ უფრო მაღალ სიხშირეებზე მუშაობენ, ელექტრომაგნიტური ჩარევის (EMI) პოტენციალი იზრდება და შეიძლება უარყოფითად იმოქმედოს როგორც მოწყობილობის, ასევე ახლომდებარე ელექტრონული სისტემების მუშაობაზე.

გრაფიტს, ნახშირბადის ალოტროპს, რომელიც აგებულია ვან-დერ-ვაალის ძალებით შეკრული გრაფენის ფენებისგან, აქვს არაერთი შესანიშნავი ელექტრული, თერმული და მექანიკური თვისება, რაც მას ელექტრომაგნიტური იმპულსების წინააღმდეგ ეფექტურ ფარად აქცევს. თუმცა, მაღალი ელექტროგამტარობის უზრუნველსაყოფად, ის ძალიან თხელი ფენის სახით უნდა იყოს, რაც მნიშვნელოვანია ელექტრომაგნიტური იმპულსების პრაქტიკული გამოყენებისთვის, რადგან ეს ნიშნავს, რომ მასალას შეუძლია ელექტრომაგნიტური ტალღების არეკლვა და შთანთქმა, როდესაც ისინი ურთიერთქმედებენ მასში არსებულ მუხტის მატარებლებთან.

ამჟამად, გრაფიტის ფირის დამზადების ძირითადი გზები მოიცავს ან არომატული პოლიმერების მაღალტემპერატურულ პიროლიზს, ან გრაფენის (GO) ოქსიდის ან გრაფენის ნანოფურცლების ფენა-ფენა დაწყობას. ორივე პროცესი მოითხოვს მაღალ ტემპერატურას, დაახლოებით 3000 °C-ს და დამუშავების ერთსაათიან დროს. გვალვიზორული ვოდირების შემთხვევაში საჭირო ტემპერატურა უფრო დაბალია (700-დან 1300 °C-მდე), მაგრამ ნანომეტრის სისქის ფირების დამზადებას რამდენიმე საათი სჭირდება, ვაკუუმშიც კი.

ვენკაი რენის ხელმძღვანელობით გუნდმა რამდენიმე წამში შექმნა მაღალი ხარისხის გრაფიტის ფენა, რომლის სისქე ათობით ნანომეტრია. ნიკელის ფოლგის არგონის ატმოსფეროში 1200°C-მდე გაცხელებით და შემდეგ ამ ფოლგის 0°C ტემპერატურაზე ეთანოლში სწრაფად ჩაძირვით მიიღო. ეთანოლის დაშლის შედეგად წარმოქმნილი ნახშირბადის ატომები დიფუზირდება და იხსნება ნიკელში ლითონის მაღალი ნახშირბადის ხსნადობის წყალობით (0.4 წონითი% 1200°C-ზე). რადგან ნახშირბადის ეს ხსნადობა მნიშვნელოვნად მცირდება დაბალ ტემპერატურაზე, ნახშირბადის ატომები შემდგომში გამოეყოფა და ილექება ნიკელის ზედაპირიდან ჩაქრობის დროს, რაც წარმოქმნის სქელ გრაფიტის ფენას. მკვლევარები იუწყებიან, რომ ნიკელის შესანიშნავი კატალიზური აქტივობა ასევე ხელს უწყობს მაღალი კრისტალურობის გრაფიტის წარმოქმნას.

მაღალი გარჩევადობის გამტარი მიკროსკოპიის, რენტგენის დიფრაქციისა და რამანის სპექტროსკოპიის კომბინაციის გამოყენებით, რენმა და მისმა კოლეგებმა აღმოაჩინეს, რომ მათ მიერ წარმოებული გრაფიტი დიდ ფართობზე მაღალი კრისტალურობით გამოირჩეოდა, კარგად იყო დაფენილი და არ შეიცავდა ხილულ დეფექტებს. ფირის ელექტრონული გამტარობა 2.6 x 105 S/m-ს აღწევდა, რაც მსგავსია CVD ან მაღალი ტემპერატურის ტექნიკით და GO/გრაფენის ფირების დაპრესით გაზრდილი ფირებისა.

იმის შესამოწმებლად, თუ რამდენად კარგად შეეძლო მასალას ელექტრომაგნიტური გამოსხივების დაბლოკვა, გუნდმა 600 მმ2 ზედაპირის ფართობის მქონე ფირები პოლიეთილენტერეფტალატის (PET) სუბსტრატებზე გადაიტანა. შემდეგ მათ გაზომეს ფირის ელექტრომაგნიტური დამცავი ეფექტურობა (SE) X-დიაპაზონის სიხშირის დიაპაზონში, 8.2-დან 12.4 გჰც-მდე. მათ აღმოაჩინეს 14.92 დბ-ზე მეტი ელექტრომაგნიტური SE დაახლოებით 77 ნმ სისქის ფირისთვის. ეს მნიშვნელობა იზრდება 20 დბ-ზე მეტამდე (კომერციული გამოყენებისთვის საჭირო მინიმალური მნიშვნელობა) მთელ X-დიაპაზონში, როდესაც ისინი ერთმანეთზე აწყობდნენ მეტ ფირს. მართლაც, ფირს, რომელიც შეიცავს ხუთ ერთმანეთზე დაწყობილ გრაფიტის ფირს (სულ დაახლოებით 385 ნმ სისქის), აქვს დაახლოებით 28 დბ ელექტრომაგნიტური SE, რაც ნიშნავს, რომ მასალას შეუძლია დაცემული გამოსხივების 99.84%-ის დაბლოკვა. საერთო ჯამში, გუნდმა გაზომა 481,000 დბ/სმ2/გ ელექტრომაგნიტური დამცავი ეფექტი X-დიაპაზონში, რაც აღემატება ყველა ადრე გამოქვეყნებულ სინთეზურ მასალას.

მკვლევარები აცხადებენ, რომ მათი ინფორმაციით, მათი გრაფიტის ფენა ყველაზე თხელია დაფიქსირებულ დამცავ მასალებს შორის, ელექტრომაგნიტური იმპულსების დამცავი მახასიათებლებით, რაც აკმაყოფილებს კომერციული გამოყენების მოთხოვნებს. მისი მექანიკური თვისებებიც ხელსაყრელია. მასალის მოტეხილობის სიმტკიცე, დაახლოებით 110 მპა (რომელიც მიღებულია პოლიკარბონატის საყრდენზე განთავსებული მასალის დაძაბულობა-დეფორმაციის მრუდებიდან) უფრო მაღალია, ვიდრე სხვა მეთოდებით გაზრდილი გრაფიტის ფენების. ფენა ასევე მოქნილია და შეიძლება 1000-ჯერ მოიხაროს 5 მმ მოხრის რადიუსით, ელექტრომაგნიტური იმპულსების დამცავი თვისებების დაკარგვის გარეშე. ის ასევე თერმულად სტაბილურია 550°C-მდე. გუნდი მიიჩნევს, რომ ეს და სხვა თვისებები ნიშნავს, რომ მისი გამოყენება შესაძლებელია როგორც ულტრათხელი, მსუბუქი, მოქნილი და ეფექტური ელექტრომაგნიტური იმპულსების დამცავი მასალა მრავალ სფეროში, მათ შორის აერონავტიკაში, ასევე ელექტრონიკასა და ოპტოელექტრონიკაში.

წაიკითხეთ მასალათმცოდნეობის ყველაზე მნიშვნელოვანი და საინტერესო მიღწევები ამ ახალ, ღია წვდომის ჟურნალში.

„ფიზიკის სამყარო“ წარმოადგენს IOP Publishing-ის მისიის მნიშვნელოვან ნაწილს, რომელიც მსოფლიო დონის კვლევისა და ინოვაციების მაქსიმალურად ფართო აუდიტორიისთვის მიწოდებას ისახავს მიზნად. ვებსაიტი „ფიზიკის სამყაროს“ პორტფოლიოს ნაწილია, რომელიც გლობალური სამეცნიერო საზოგადოებისთვის განკუთვნილი ონლაინ, ციფრული და ბეჭდური საინფორმაციო სერვისების კოლექციას წარმოადგენს.