Dziękujemy za rejestrację w serwisie Physics World. Jeśli w dowolnym momencie chcesz zmienić swoje dane, odwiedź sekcję Moje konto.
Warstwy grafitowe mogą chronić urządzenia elektroniczne przed promieniowaniem elektromagnetycznym (EM), ale obecne techniki ich wytwarzania zajmują kilka godzin i wymagają temperatury przetwarzania około 3000°C. Zespół naukowców z Narodowego Laboratorium Materiałoznawstwa w Shenyang Chińskiej Akademii Nauk zademonstrował alternatywny sposób wytwarzania wysokiej jakości warstw grafitowych w zaledwie kilka sekund poprzez hartowanie gorących pasków folii niklowej w etanolu. Tempo wzrostu tych warstw jest o ponad dwa rzędy wielkości wyższe niż w przypadku istniejących metod, a ich przewodność elektryczna i wytrzymałość mechaniczna dorównują przewodności warstw wytwarzanych metodą chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD).
Wszystkie urządzenia elektroniczne wytwarzają pewną ilość promieniowania elektromagnetycznego. Wraz ze zmniejszaniem się rozmiarów urządzeń i ich coraz wyższymi częstotliwościami rośnie ryzyko wystąpienia zakłóceń elektromagnetycznych (EMI), które mogą negatywnie wpływać na działanie urządzenia, jak również pobliskich systemów elektronicznych.
Grafit, alotrop węgla zbudowany z warstw grafenu połączonych siłami van der Waalsa, posiada szereg niezwykłych właściwości elektrycznych, termicznych i mechanicznych, które czynią go skuteczną osłoną przed zakłóceniami elektromagnetycznymi (EMI). Jednak, aby zapewnić wysoką przewodność elektryczną, musi występować w postaci bardzo cienkiej warstwy, co jest istotne w praktycznych zastosowaniach EMI, ponieważ oznacza, że materiał może odbijać i pochłaniać fale elektromagnetyczne w trakcie ich oddziaływania z nośnikami ładunku wewnątrz niego.
Obecnie główne metody wytwarzania warstw grafitowych obejmują wysokotemperaturową pirolizę polimerów aromatycznych lub warstwowe układanie tlenku grafenu (GO) lub nanopłytek grafenu. Oba procesy wymagają wysokich temperatur, około 3000°C, i czasu obróbki wynoszącego godzinę. W przypadku CVD wymagane temperatury są niższe (od 700 do 1300°C), ale wytworzenie warstw o grubości nanometra zajmuje kilka godzin, nawet w próżni.
Zespół kierowany przez Wencai Ren wytworzył wysokiej jakości warstwę grafitu o grubości kilkudziesięciu nanometrów w ciągu kilku sekund, podgrzewając folię niklową do 1200°C w atmosferze argonu, a następnie szybko zanurzając ją w etanolu o temperaturze 0°C. Atomy węgla powstałe w wyniku rozkładu etanolu dyfundują i rozpuszczają się w niklu dzięki wysokiej rozpuszczalności węgla w tym metalu (0,4% wag. w temperaturze 1200°C). Ponieważ rozpuszczalność węgla znacznie spada w niskiej temperaturze, atomy węgla następnie oddzielają się i wytrącają z powierzchni niklu podczas hartowania, tworząc grubą warstwę grafitu. Naukowcy donoszą, że doskonała aktywność katalityczna niklu wspomaga również tworzenie wysoce krystalicznego grafitu.
Wykorzystując połączenie mikroskopii transmisyjnej o wysokiej rozdzielczości, dyfrakcji rentgenowskiej i spektroskopii Ramana, Ren i współpracownicy odkryli, że uzyskany przez nich grafit był wysoce krystaliczny na dużych obszarach, dobrze uwarstwiony i nie zawierał widocznych defektów. Przewodność elektronowa warstwy sięgała 2,6 x 105 S/m, podobnie jak w przypadku warstw wytwarzanych metodą CVD lub technik wysokotemperaturowych i prasowania warstw GO/grafenu.
Aby sprawdzić, jak dobrze materiał blokuje 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. Stwierdzili, 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 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, przewyższając wszystkie wcześniej zgłoszone materiały syntetyczne.
Naukowcy twierdzą, że według ich najlepszej 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 w przypadku folii grafitowych wytwarzanych innymi metodami. Folia jest również elastyczna i można ją zginać 1000 razy z promieniem gięcia 5 mm bez utraty właściwości ekranujących EMI. Jest również stabilna termicznie do 550 °C. Zespół uważa, że te i inne właściwości oznaczają, że może być stosowana jako ultracienki, lekki, elastyczny i skuteczny materiał ekranujący EMI w zastosowaniach w wielu dziedzinach, w tym w lotnictwie, elektronice i optoelektronice.
Przeczytaj o najważniejszych i najbardziej ekscytujących osiągnięciach w dziedzinie nauki o materiałach w tym nowym czasopiśmie o otwartym dostępie.
Czasopismo Physics World stanowi kluczowy element misji wydawnictwa IOP Publishing, polegającej na udostępnianiu światowej klasy badań i innowacji jak najszerszemu gronu odbiorców. Strona internetowa jest częścią portfolio Physics World, zbioru internetowych, cyfrowych i drukowanych serwisów informacyjnych dla globalnej społeczności naukowej.
Czas publikacji: 07-05-2020