Paldies, ka reģistrējāties Physics World. Ja vēlaties jebkurā laikā mainīt savu informāciju, lūdzu, apmeklējiet sadaļu Mans konts.
Grafīta plēves var aizsargāt elektroniskas ierīces no elektromagnētiskā (EM) starojuma, taču pašreizējās to ražošanas metodes aizņem vairākas stundas un tām nepieciešama apstrādes temperatūra aptuveni 3000 °C. Ķīnas Zinātņu akadēmijas Šeņjanas Nacionālās Materiālzinātnes laboratorijas pētnieku komanda tagad ir demonstrējusi alternatīvu veidu, kā dažu sekunžu laikā izgatavot augstas kvalitātes grafīta plēves, rūdot karstas niķeļa folijas sloksnes etanolā. Šo plēvju augšanas ātrums ir vairāk nekā par divām lieluma kārtām lielāks nekā esošajās metodēs, un plēvju elektriskā vadītspēja un mehāniskā izturība ir līdzvērtīga plēvēm, kas izgatavotas, izmantojot ķīmisko tvaiku uzklāšanu (CVD).
Visas elektroniskās ierīces rada zināmu elektromagnētisko starojumu. Tā kā ierīces kļūst arvien mazākas un darbojas arvien augstākās frekvencēs, palielinās elektromagnētisko traucējumu (EMI) potenciāls, kas var negatīvi ietekmēt gan ierīces, gan tuvumā esošo elektronisko sistēmu darbību.
Grafīts, oglekļa alotrops, kas veidots no grafēna slāņiem, kurus kopā satur van der Valsa spēki, piemīt vairākas ievērojamas elektriskās, termiskās un mehāniskās īpašības, kas padara to par efektīvu aizsardzību pret EMI. Tomēr, lai tam būtu augsta elektrovadītspēja, tam jābūt ļoti plānas plēves formā, kas ir svarīgi praktiskiem EMI pielietojumiem, jo tas nozīmē, ka materiāls var atstarot un absorbēt EMI viļņus, tiem mijiedarbojoties ar tā iekšpusē esošajiem lādiņnesējiem.
Pašlaik galvenās grafīta plēves izgatavošanas metodes ietver vai nu aromātisko polimēru augstas temperatūras pirolīzi, vai grafēna (GO) oksīda vai grafēna nanoslāņu slāni pa slānim sakraušanu. Abiem procesiem nepieciešama aptuveni 3000 °C augsta temperatūra un stundas apstrādes laiks. CVD procesā nepieciešamā temperatūra ir zemāka (no 700 līdz 1300 °C), taču nanometru biezu plēvju izgatavošana pat vakuumā aizņem dažas stundas.
Vencai Ren vadītā komanda dažu sekunžu laikā ir izgatavojusi desmitiem nanometru biezu augstas kvalitātes grafīta plēvi, uzkarsējot niķeļa foliju līdz 1200 °C argona atmosfērā un pēc tam ātri iegremdējot šo foliju etanolā 0 °C temperatūrā. Oglekļa atomi, kas rodas no etanola sadalīšanās, difundējas un izšķīst niķelī, pateicoties metāla augstajai oglekļa šķīdībai (0,4 svara % pie 1200 °C). Tā kā šī oglekļa šķīdība zemā temperatūrā ievērojami samazinās, oglekļa atomi rūdīšanas laikā atdalās un izgulsnējas no niķeļa virsmas, veidojot biezu grafīta plēvi. Pētnieki ziņo, ka niķeļa lieliskā katalītiskā aktivitāte arī veicina ļoti kristāliska grafīta veidošanos.
Izmantojot augstas izšķirtspējas transmisijas mikroskopijas, rentgenstaru difrakcijas un Ramana spektroskopijas kombināciju, Rens un viņa kolēģi atklāja, ka viņu iegūtais grafīts bija ļoti kristālisks lielos laukumos, labi slāņains un nesaturēja redzamus defektus. Plēves elektronvadītspēja bija pat 2,6 x 105 S/m, līdzīgi kā plēvēm, kas audzētas ar CVD vai augstas temperatūras metodēm un GO/grafēna plēvju presēšanu.
Lai pārbaudītu, cik labi materiāls spēj bloķēt elektromagnētisko starojumu, komanda uz polietilēntereftalāta (PET) substrātiem pārnesa plēves ar virsmas laukumu 600 mm2. Pēc tam viņi izmērīja plēves EMI ekranēšanas efektivitāti (SE) X joslas frekvenču diapazonā no 8,2 līdz 12,4 GHz. Viņi konstatēja, ka EMI SE ir vairāk nekā 14,92 dB aptuveni 77 nm biezai plēvei. Šī vērtība palielinās līdz vairāk nekā 20 dB (minimālā vērtība, kas nepieciešama komerciāliem lietojumiem) visā X joslā, kad tās sakrauj kopā vairāk plēves. Patiešām, plēvei, kas satur piecus sakrautu grafīta plēvju gabalus (kopā aptuveni 385 nm biezi), EMI SE ir aptuveni 28 dB, kas nozīmē, ka materiāls var bloķēt 99,84% no krītošā starojuma. Kopumā komanda izmērīja EMI ekranēšanu 481 000 dB/cm2/g visā X joslā, pārspējot visus iepriekš ziņotos sintētiskos materiālus.
Pētnieki apgalvo, ka, cik viņiem zināms, viņu grafīta plēve ir visplānākā no ziņotajiem ekranēšanas materiāliem, un tās EMI ekranēšanas veiktspēja var apmierināt komerciālu pielietojumu prasības. Arī tās mehāniskās īpašības ir labvēlīgas. Materiāla lūzuma izturība, kas ir aptuveni 110 MPa (iegūta no materiāla sprieguma un deformācijas līknēm, kas novietots uz polikarbonāta pamatnes), ir augstāka nekā grafīta plēvēm, kas audzētas ar citām metodēm. Plēve ir arī elastīga un to var saliekt 1000 reizes ar 5 mm lieces rādiusu, nezaudējot savas EMI ekranēšanas īpašības. Tā ir arī termiski stabila līdz 550 °C. Komanda uzskata, ka šīs un citas īpašības nozīmē, ka to varētu izmantot kā īpaši plānu, vieglu, elastīgu un efektīvu EMI ekranēšanas materiālu pielietojumiem daudzās jomās, tostarp kosmosa, kā arī elektronikas un optoelektronikas nozarē.
Lasiet par nozīmīgākajiem un aizraujošākajiem sasniegumiem materiālzinātnē šajā jaunajā atvērtās piekļuves žurnālā.
Vietne “Physics World” ir būtiska IOP Publishing misijas sastāvdaļa, lai pēc iespējas plašākai auditorijai sniegtu informāciju par pasaules līmeņa pētniecību un inovācijām. Tīmekļa vietne ir daļa no “Physics World” portfeļa, kas ir tiešsaistes, digitālo un drukāto informācijas pakalpojumu kolekcija pasaules zinātnieku kopienai.
Publicēšanas laiks: 2020. gada 7. maijs