Dziękujemy za rejestrację w serwisie Physics World. Jeśli w dowolnym momencie chcesz zmienić swoje dane, odwiedź zakładkę Moje konto.
Folie grafitowe mogą chronić urządzenia elektroniczne przed promieniowaniem elektromagnetycznym (EM), ale obecne techniki ich wytwarzania zajmują kilka godzin i wymagają temperatur przetwarzania wynoszących około 3000 °C. Zespół badaczy z Shenyang National Laboratory for Materials Science w Chińskiej Akademii Nauk zademonstrował alternatywny sposób wytwarzania wysokiej jakości folii grafitowych w ciągu zaledwie kilku sekund poprzez hartowanie gorących pasków folii niklowej w etanolu. Tempo wzrostu tych folii jest o ponad dwa rzędy wielkości wyższe niż w przypadku istniejących metod, a przewodność elektryczna i wytrzymałość mechaniczna folii są porównywalne z foliami wytwarzanymi metodą chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD).
Wszystkie urządzenia elektroniczne wytwarzają pewne promieniowanie EM. W miarę jak urządzenia stają się coraz mniejsze i działają na coraz wyższych częstotliwościach, wzrasta potencjał zakłóceń elektromagnetycznych (EMI), co może niekorzystnie wpłynąć na wydajność urządzenia, jak również pobliskich systemów elektronicznych.
Grafit, alotrop węgla zbudowany z warstw grafenu utrzymywanych razem przez siły van der Waalsa, ma szereg niezwykłych właściwości elektrycznych, termicznych i mechanicznych, które czynią go skuteczną tarczą przeciwko EMI. Jednak musi mieć formę bardzo cienkiej warstwy, aby mieć wysoką przewodność elektryczną, co jest ważne dla praktycznych zastosowań EMI, ponieważ oznacza to, że materiał może odbijać i pochłaniać fale elektromagnetyczne, gdy oddziałują one z nośnikami ładunku wewnątrz niego.
Obecnie główne sposoby wytwarzania folii grafitowej obejmują albo pirolizę wysokotemperaturową polimerów aromatycznych, albo układanie warstw tlenku grafenu (GO) lub nanopłytek grafenu. Oba procesy wymagają wysokich temperatur około 3000 °C i czasu przetwarzania wynoszącego godzinę. W CVD wymagane temperatury są niższe (od 700 do 1300 °C), ale wytworzenie folii o grubości nanometra zajmuje kilka godzin, nawet w próżni.
Zespół kierowany przez Wencai Ren wyprodukował teraz wysokiej jakości film grafitowy o grubości dziesiątek nanometrów w ciągu kilku sekund, podgrzewając folię niklową do 1200 °C w atmosferze argonu, a następnie szybko zanurzając tę folię w etanolu w temperaturze 0 °C. Atomy węgla powstałe w wyniku rozkładu etanolu dyfundują i rozpuszczają się w niklu dzięki wysokiej rozpuszczalności węgla w metalu (0,4% wag. w 1200 °C). Ponieważ ta rozpuszczalność węgla znacznie spada w niskiej temperaturze, atomy węgla następnie oddzielają się i wytrącają z powierzchni niklu podczas hartowania, wytwarzając gruby film grafitowy. Naukowcy informują, że doskonała aktywność katalityczna niklu pomaga również w tworzeniu wysoce krystalicznego grafitu.
Wykorzystując połączenie mikroskopii transmisyjnej o wysokiej rozdzielczości, dyfrakcji rentgenowskiej i spektroskopii Ramana, Ren i współpracownicy odkryli, że wyprodukowany przez nich grafit był wysoce krystaliczny na dużych obszarach, dobrze uwarstwiony i nie zawierał widocznych defektów. Przewodność elektronowa filmu wynosiła aż 2,6 x 105 S/m, podobnie jak w przypadku filmów hodowanych technikami CVD lub wysokotemperaturowymi i prasowania filmów GO/grafenowych.
Aby sprawdzić, jak dobrze materiał może blokować promieniowanie elektromagnetyczne, zespół przeniósł folie o powierzchni 600 mm2 na podłoża wykonane z politereftalanu etylenu (PET). Następnie zmierzyli skuteczność ekranowania EMI (SE) folii w zakresie częstotliwości pasma X, od 8,2 do 12,4 GHz. Odkryli, że SE EMI wynosi ponad 14,92 dB dla folii o grubości około 77 nm. Wartość ta wzrasta do ponad 20 dB (minimalna wartość wymagana do zastosowań komercyjnych) w całym paśmie X, gdy ułożyli razem więcej folii. Rzeczywiście, folia zawierająca pięć kawałków ułożonych warstw grafitu (o łącznej grubości około 385 nm) ma SE EMI wynoszące około 28 dB, co oznacza, że materiał może blokować 99,84% padającego promieniowania. Ogólnie rzecz biorąc, zespół zmierzył ekranowanie EMI na poziomie 481 000 dB/cm2/g w paśmie X, co przewyższa wszystkie wcześniej zgłoszone materiały syntetyczne.
Naukowcy twierdzą, że według ich wiedzy ich folia grafitowa jest najcieńszą spośród zgłoszonych materiałów ekranujących, a jej właściwości ekranujące EMI mogą spełnić wymagania zastosowań komercyjnych. Jej właściwości mechaniczne są również korzystne. Wytrzymałość na pękanie materiału wynosząca około 110 MPa (wyciągnięta z krzywych naprężenie-odkształcenie materiału umieszczonego na podłożu poliwęglanowym) jest wyższa niż folii grafitowych wytwarzanych innymi metodami. Folia jest również elastyczna i można ją zginać 1000 razy przy promieniu gięcia 5 mm bez utraty właściwości ekranujących EMI. Jest również stabilna termicznie do 550 °C. Zespół uważa, że te i inne właściwości oznaczają, że można ją stosować jako ultracienki, lekki, elastyczny i skuteczny materiał ekranujący EMI do zastosowań w wielu dziedzinach, w tym w lotnictwie, elektronice i optoelektronice.
Przeczytaj o najważniejszych i najbardziej fascynujących osiągnięciach w dziedzinie nauki o materiałach w tym nowym czasopiśmie o otwartym dostępie.
Physics World stanowi kluczową część misji IOP Publishing polegającej na komunikowaniu światowej klasy badań i innowacji możliwie najszerszej publiczności. Witryna internetowa stanowi część portfolio Physics World, zbioru internetowych, cyfrowych i drukowanych usług informacyjnych dla globalnej społeczności naukowej.
Czas publikacji: 07-05-2020