Bedankt voor uw registratie bij Physics World. Als u op enig moment uw gegevens wilt wijzigen, ga dan naar Mijn account
Grafietfilms kunnen elektronische apparaten beschermen tegen elektromagnetische (EM) straling, maar de huidige productietechnieken duren enkele uren en vereisen verwerkingstemperaturen van ongeveer 3000 °C. Een team van onderzoekers van het Shenyang National Laboratory for Materials Science van de Chinese Academie van Wetenschappen heeft nu een alternatieve manier gedemonstreerd om in slechts enkele seconden hoogwaardige grafietfilms te maken door hete stroken nikkelfolie te blussen in ethanol. De groeisnelheid van deze films is meer dan twee ordes van grootte hoger dan bij bestaande methoden, en de elektrische geleidbaarheid en mechanische sterkte van de films zijn vergelijkbaar met die van films die zijn gemaakt met behulp van chemische dampdepositie (CVD).
Alle elektronische apparaten produceren elektromagnetische straling. Naarmate apparaten steeds kleiner worden en op steeds hogere frequenties werken, neemt de kans op elektromagnetische interferentie (EMI) toe. Dit kan de prestaties van het apparaat en die van nabijgelegen elektronische systemen negatief beïnvloeden.
Grafiet, een allotroop van koolstof, opgebouwd uit lagen grafeen die door vanderwaalskrachten bijeen worden gehouden, heeft een aantal opmerkelijke elektrische, thermische en mechanische eigenschappen die het een effectief schild tegen elektromagnetische interferentie maken. Het moet echter de vorm hebben van een zeer dunne film om een hoge elektrische geleidbaarheid te hebben, wat belangrijk is voor praktische elektromagnetische interferentietoepassingen, omdat het materiaal elektromagnetische golven kan reflecteren en absorberen wanneer deze in wisselwerking staan met de ladingsdragers erin.
De belangrijkste methoden voor het maken van grafietfilm bestaan momenteel uit pyrolyse van aromatische polymeren bij hoge temperatuur of het laag voor laag opstapelen van grafeenoxide (GO) of grafeennanosheets. Beide processen vereisen hoge temperaturen van ongeveer 3000 °C en verwerkingstijden van een uur. Bij CVD liggen de benodigde temperaturen lager (tussen 700 en 1300 °C), maar duurt het enkele uren om nanometerdikke films te maken, zelfs in vacuüm.
Een team onder leiding van Wencai Ren heeft nu binnen enkele seconden een hoogwaardige grafietfilm van tientallen nanometers dik geproduceerd door nikkelfolie te verhitten tot 1200 °C in een argonatmosfeer en deze vervolgens snel onder te dompelen in ethanol bij 0 °C. De koolstofatomen die ontstaan bij de ontleding van ethanol diffunderen en lossen op in het nikkel dankzij de hoge koolstofoplosbaarheid van het metaal (0,4 gew.% bij 1200 °C). Omdat deze koolstofoplosbaarheid sterk afneemt bij lage temperaturen, scheiden de koolstofatomen zich vervolgens af en slaan ze neer van het nikkeloppervlak tijdens het afschrikken, waardoor een dikke grafietfilm ontstaat. De onderzoekers melden dat de uitstekende katalytische activiteit van nikkel ook de vorming van hoogkristallijn grafiet bevordert.
Met behulp van een combinatie van hoge-resolutie transmissiemicroscopie, röntgendiffractie en Ramanspectroscopie ontdekten Ren en collega's dat het geproduceerde grafiet over grote oppervlakken zeer kristallijn was, goed gelaagd en geen zichtbare defecten bevatte. De elektronengeleidbaarheid van de film was maar liefst 2,6 x 105 S/m, vergelijkbaar met films die zijn gegroeid met CVD- of hogetemperatuurtechnieken en het persen van GO/grafeenfilms.
Om te testen hoe goed het materiaal EM-straling kon blokkeren, bracht het team films met een oppervlakte van 600 mm2 over op substraten van polyethyleentereftalaat (PET). Vervolgens maten ze de EMI-afschermingseffectiviteit (SE) van de film in het X-band frequentiebereik, tussen 8,2 en 12,4 GHz. Ze vonden een EMI SE van meer dan 14,92 dB voor een film van ongeveer 77 nm dik. Deze waarde stijgt tot meer dan 20 dB (de minimale waarde die vereist is voor commerciële toepassingen) in de gehele X-band wanneer ze meer films op elkaar stapelden. Een film bestaande uit vijf op elkaar gestapelde stukken grafietfilm (in totaal ongeveer 385 nm dik) heeft inderdaad een EMI SE van ongeveer 28 dB, wat betekent dat het materiaal 99,84% van de invallende straling kan blokkeren. In totaal mat het team een EMI-afscherming van 481.000 dB/cm2/g over de X-band, wat beter presteert dan alle eerder gerapporteerde synthetische materialen.
De onderzoekers zeggen dat hun grafietfilm, voor zover zij weten, de dunste is van alle gerapporteerde afschermingsmaterialen, met een EMI-afschermingsprestatie die voldoet aan de eisen voor commerciële toepassingen. De mechanische eigenschappen zijn ook gunstig. De breuksterkte van het materiaal van ongeveer 110 MPa (ontleend aan spanning-rekcurves van het materiaal geplaatst op een polycarbonaatdrager) is hoger dan die van grafietfilms die met andere methoden zijn vervaardigd. De film is ook flexibel en kan 1000 keer worden gebogen met een buigradius van 5 mm zonder zijn EMI-afschermende eigenschappen te verliezen. Het is ook thermisch stabiel tot 550 °C. Het team is van mening dat deze en andere eigenschappen betekenen dat het kan worden gebruikt als een ultradun, lichtgewicht, flexibel en effectief EMI-afschermingsmateriaal voor toepassingen in vele sectoren, waaronder de lucht- en ruimtevaart, elektronica en opto-elektronica.
Lees de belangrijkste en meest opwindende ontwikkelingen in materiaalkunde in dit nieuwe open access-tijdschrift.
Physics World vormt een belangrijk onderdeel van de missie van IOP Publishing om onderzoek en innovatie van wereldklasse te communiceren aan een zo breed mogelijk publiek. De website maakt deel uit van het portfolio van Physics World, een verzameling online, digitale en gedrukte informatiediensten voor de wereldwijde wetenschappelijke gemeenschap.
Geplaatst op: 7 mei 2020