Takk for at du registrerte deg hos Physics World. Hvis du ønsker å endre opplysningene dine når som helst, kan du gå til Min konto.
Grafittfilmer kan skjerme elektroniske enheter mot elektromagnetisk (EM) stråling, men nåværende teknikker for å produsere dem tar flere timer og krever prosesseringstemperaturer på rundt 3000 °C. Et team av forskere fra Shenyang National Laboratory for Materials Science ved Chinese Academy of Sciences har nå demonstrert en alternativ måte å lage grafittfilmer av høy kvalitet på bare noen få sekunder ved å bråkjøle varme strimler av nikkelfolie i etanol. Veksthastigheten for disse filmene er mer enn to størrelsesordener høyere enn i eksisterende metoder, og filmenes elektriske ledningsevne og mekaniske styrke er på nivå med filmer laget ved hjelp av kjemisk dampavsetning (CVD).
Alle elektroniske enheter produserer en viss grad av elektromagnetisk stråling. Etter hvert som enheter blir stadig mindre og opererer ved stadig høyere frekvenser, øker potensialet for elektromagnetisk interferens (EMI), og dette kan påvirke enhetens ytelse negativt, så vel som ytelsen til elektroniske systemer i nærheten.
Grafitt, en allotrop av karbon bygget opp av lag med grafen holdt sammen av van der Waals-krefter, har en rekke bemerkelsesverdige elektriske, termiske og mekaniske egenskaper som gjør den til et effektivt skjold mot EMI. Den må imidlertid være i form av en veldig tynn film for å ha høy elektrisk ledningsevne, noe som er viktig for praktiske EMI-applikasjoner fordi det betyr at materialet kan reflektere og absorbere elektromagnetiske bølger når de samhandler med ladningsbærerne inni det.
For tiden involverer de viktigste måtene å lage grafittfilm enten høytemperaturpyrolyse av aromatiske polymerer eller laging av grafen (GO) oksid eller grafen-nanoplater lag på lag. Begge prosessene krever høye temperaturer på rundt 3000 °C og prosesseringstider på en time. I CVD er de nødvendige temperaturene lavere (mellom 700 og 1300 °C), men det tar noen timer å lage nanometertykke filmer, selv i vakuum.
Et team ledet av Wencai Ren har nå produsert grafittfilm av høy kvalitet med en tykkelse på flere titalls nanometer i løpet av få sekunder ved å varme opp nikkelfolie til 1200 °C i en argonatmosfære og deretter raskt senke folien ned i etanol ved 0 °C. Karbonatomene som produseres fra nedbrytningen av etanol diffunderer og løses opp i nikkelen takket være metallets høye karbonløselighet (0,4 vekt% ved 1200 °C). Fordi denne karbonløseligheten avtar kraftig ved lav temperatur, segregerer karbonatomene deretter og utfelles fra nikkeloverflaten under bråkjøling, noe som produserer en tykk grafittfilm. Forskerne rapporterer at den utmerkede katalytiske aktiviteten til nikkel også bidrar til dannelsen av høykrystallinsk grafitt.
Ved å bruke en kombinasjon av høyoppløselig transmisjonsmikroskopi, røntgendiffraksjon og Ramanspektroskopi, fant Ren og kollegene at grafitten de produserte var svært krystallinsk over store områder, godt lagdelt og uten synlige defekter. Elektronledningsevnen til filmen var så høy som 2,6 x 105 S/m, tilsvarende filmer dyrket med CVD eller høytemperaturteknikker og pressing av GO/grafenfilmer.
For å teste hvor godt materialet kunne blokkere EM-stråling, overførte teamet filmer med et overflateareal på 600 mm² til underlag laget av polyetylentereftalat (PET). Deretter målte de filmens EMI-skjermingseffektivitet (SE) i X-båndets frekvensområde, mellom 8,2 og 12,4 GHz. De fant en EMI SE på mer enn 14,92 dB for en film som var omtrent 77 nm tykk. Denne verdien øker til mer enn 20 dB (minimumsverdien som kreves for kommersielle applikasjoner) i hele X-båndet når de stablet flere filmer sammen. Faktisk har en film som inneholder fem stykker stablede grafittfilmer (rundt 385 nm tykke totalt) en EMI SE på rundt 28 dB, noe som betyr at materialet kan blokkere 99,84 % av den innkommende strålingen. Totalt sett målte teamet en EMI-skjerming på 481 000 dB/cm²/g over X-båndet, noe som overgikk alle tidligere rapporterte syntetiske materialer.
Forskerne sier at så vidt de vet, er grafittfilmen deres den tynneste blant rapporterte skjermingsmaterialer, med en EMI-skjermingsytelse som kan tilfredsstille kravene for kommersielle applikasjoner. De mekaniske egenskapene er også gunstige. Materialets bruddstyrke på omtrent 110 MPa (hentet fra spennings-tøyningskurver for materialet plassert på et polykarbonatunderlag) er høyere enn for grafittfilmer dyrket med de andre metodene. Filmen er også fleksibel, og kan bøyes 1000 ganger med en bøyeradius på 5 mm uten å miste sine EMI-skjermingsegenskaper. Den er også termisk stabil opptil 550 °C. Teamet mener at disse og andre egenskaper betyr at den kan brukes som et ultratynt, lett, fleksibelt og effektivt EMI-skjermingsmateriale for applikasjoner innen mange områder, inkludert luftfart samt elektronikk og optoelektronikk.
Les de viktigste og mest spennende fremskrittene innen materialvitenskap i dette nye tidsskriftet med åpen tilgang.
Physics World representerer en sentral del av IOP Publishings oppdrag om å formidle forskning og innovasjon i verdensklasse til et bredest mulig publikum. Nettstedet er en del av Physics World-porteføljen, en samling av nettbaserte, digitale og trykte informasjonstjenester for det globale vitenskapelige samfunnet.
Publisert: 07. mai 2020