Bedankt voor je registratie bij Physics World. Als je je gegevens op enig moment wilt wijzigen, ga dan naar Mijn account.
Grafietfilms kunnen elektronische apparaten beschermen tegen elektromagnetische (EM) straling, maar de huidige productiemethoden duren meerdere uren en vereisen verwerkingstemperaturen van rond de 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 ontwikkeld om in slechts enkele seconden hoogwaardige grafietfilms te maken door hete stroken nikkelfolie in ethanol af te koelen. 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 gemaakt met behulp van chemische dampafzetting (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 van nabijgelegen elektronische systemen negatief beïnvloeden.
Grafiet, een allotroop van koolstof opgebouwd uit lagen grafeen die door van der Waals-krachten bij elkaar worden gehouden, heeft een aantal opmerkelijke elektrische, thermische en mechanische eigenschappen die het een effectief schild tegen elektromagnetische interferentie (EMI) maken. Het moet echter wel de vorm hebben van een zeer dunne film om een hoge elektrische geleidbaarheid te verkrijgen. Dit is belangrijk voor praktische EMI-toepassingen, omdat het betekent dat het materiaal elektromagnetische golven kan reflecteren en absorberen wanneer deze interageren met de ladingsdragers erin.
Momenteel worden grafietfilms hoofdzakelijk op verschillende manieren gemaakt: door middel van pyrolyse bij hoge temperaturen van aromatische polymeren of door het laagje voor laagje opbouwen van grafeenoxide (GO) of grafeen-nanovellen. Beide processen vereisen hoge temperaturen van ongeveer 3000 °C en een verwerkingstijd van een uur. Bij CVD zijn de benodigde temperaturen lager (tussen 700 en 1300 °C), maar het duurt enkele uren om nanometerdikke films te maken, zelfs in vacuüm.
Een team onder leiding van Wencai Ren heeft nu binnen enkele seconden hoogwaardige grafietfilms van tientallen nanometer dik geproduceerd door nikkelfolie te verhitten tot 1200 °C in een argonatmosfeer en deze folie vervolgens snel onder te dompelen in ethanol van 0 °C. De koolstofatomen die vrijkomen bij de ontleding van ethanol diffunderen en lossen op in het nikkel dankzij de hoge koolstofoplosbaarheid van het metaal (0,4 gewichtsprocent bij 1200 °C). Omdat deze koolstofoplosbaarheid sterk afneemt bij lage temperaturen, scheiden de koolstofatomen zich vervolgens af en slaan neer van het nikkeloppervlak tijdens het afkoelen, waardoor een dikke grafietfilm ontstaat. De onderzoekers melden dat de uitstekende katalytische activiteit van nikkel ook bijdraagt aan de vorming van sterk kristallijn grafiet.
Met behulp van een combinatie van transmissiemicroscopie met hoge resolutie, röntgendiffractie en Raman-spectroscopie ontdekten Ren en collega's dat het door hen geproduceerde grafiet over grote oppervlakken zeer kristallijn was, goed gelaagd en geen zichtbare defecten bevatte. De elektronengeleiding van de film was maar liefst 2,6 x 10⁵ S/m, vergelijkbaar met films die zijn gegroeid met behulp van CVD- of hogetemperatuurtechnieken en het persen van GO/grafeenfilms.
Om te testen hoe goed het materiaal elektromagnetische 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-bandfrequentiebereik, 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 grafietfilms (in totaal ongeveer 385 nm dik) heeft 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 gehele X-band, waarmee het alle eerder gerapporteerde synthetische materialen overtrof.
De onderzoekers stellen 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 bedraagt ongeveer 110 MPa (afgeleid uit spannings-rekcurven van het materiaal op een polycarbonaat drager), wat hoger is dan die van grafietfilms die met andere methoden zijn geproduceerd. De film is bovendien flexibel en kan 1000 keer worden gebogen met een buigradius van 5 mm zonder zijn EMI-afschermende eigenschappen te verliezen. Ook is de film thermisch stabiel tot 550 °C. Het team is van mening dat deze en andere eigenschappen betekenen dat het materiaal kan worden gebruikt als een ultradun, lichtgewicht, flexibel en effectief EMI-afschermingsmateriaal voor toepassingen in diverse sectoren, waaronder de lucht- en ruimtevaart, elektronica en opto-elektronica.
Lees in dit nieuwe open access-tijdschrift over de belangrijkste en meest opwindende ontwikkelingen in de materiaalkunde.
Physics World vormt een belangrijk onderdeel van de missie van IOP Publishing om toonaangevend onderzoek en innovatie te delen met een zo breed mogelijk publiek. De website maakt deel uit van het Physics World-portfolio, een verzameling online, digitale en gedrukte informatiediensten voor de wereldwijde wetenschappelijke gemeenschap.
Geplaatst op: 7 mei 2020