Obrigado por se cadastrar no Physics World. Se desejar alterar seus dados a qualquer momento, acesse Minha conta.
Filmes de grafite podem proteger dispositivos eletrônicos da radiação eletromagnética (EM), mas as técnicas atuais para sua fabricação levam várias horas e exigem temperaturas de processamento em torno de 3000 °C. Uma equipe de pesquisadores do Laboratório Nacional de Ciência de Materiais de Shenyang, da Academia Chinesa de Ciências, demonstrou agora uma maneira alternativa de produzir filmes de grafite de alta qualidade em apenas alguns segundos, resfriando rapidamente tiras aquecidas de folha de níquel em etanol. A taxa de crescimento desses filmes é mais de duas ordens de magnitude superior à dos métodos existentes, e a condutividade elétrica e a resistência mecânica dos filmes são comparáveis às de filmes produzidos por deposição química de vapor (CVD).
Todos os dispositivos eletrônicos produzem alguma radiação eletromagnética. À medida que os dispositivos se tornam cada vez menores e operam em frequências cada vez mais altas, o potencial de interferência eletromagnética (EMI) aumenta e pode afetar negativamente o desempenho do dispositivo, bem como o de sistemas eletrônicos próximos.
O grafite, um alótropo do carbono formado por camadas de grafeno unidas por forças de van der Waals, possui diversas propriedades elétricas, térmicas e mecânicas notáveis que o tornam um escudo eficaz contra interferência eletromagnética (EMI). No entanto, para apresentar alta condutividade elétrica, ele precisa estar na forma de um filme muito fino, o que é importante para aplicações práticas de EMI, pois significa que o material pode refletir e absorver ondas eletromagnéticas à medida que estas interagem com os portadores de carga em seu interior.
Atualmente, os principais métodos de fabricação de filmes de grafite envolvem a pirólise em alta temperatura de polímeros aromáticos ou o empilhamento de óxido de grafeno (GO) ou nanofolhas de grafeno, camada por camada. Ambos os processos requerem altas temperaturas, em torno de 3000 °C, e tempos de processamento de uma hora. Na deposição química em fase vapor (CVD), as temperaturas necessárias são mais baixas (entre 700 e 1300 °C), mas leva algumas horas para produzir filmes com espessura nanométrica, mesmo em vácuo.
Uma equipe liderada por Wencai Ren conseguiu produzir um filme de grafite de alta qualidade com dezenas de nanômetros de espessura em poucos segundos, aquecendo uma folha de níquel a 1200 °C em atmosfera de argônio e, em seguida, imergindo-a rapidamente em etanol a 0 °C. Os átomos de carbono produzidos pela decomposição do etanol se difundem e se dissolvem no níquel graças à alta solubilidade do carbono no metal (0,4% em peso a 1200 °C). Como essa solubilidade do carbono diminui consideravelmente em baixas temperaturas, os átomos de carbono se segregam e precipitam da superfície do níquel durante o resfriamento rápido, produzindo um filme espesso de grafite. Os pesquisadores relatam que a excelente atividade catalítica do níquel também auxilia na formação de grafite altamente cristalina.
Utilizando uma combinação de microscopia de transmissão de alta resolução, difração de raios X e espectroscopia Raman, Ren e seus colegas descobriram que o grafite produzido era altamente cristalino em grandes áreas, bem estruturado em camadas e não apresentava defeitos visíveis. A condutividade eletrônica do filme atingiu valores de 2,6 x 10⁵ S/m, semelhantes aos de filmes crescidos por CVD ou técnicas de alta temperatura e prensagem de filmes de GO/grafeno.
Para testar a capacidade do material de bloquear a radiação eletromagnética, a equipe transferiu filmes com uma área de superfície de 600 mm² para substratos de tereftalato de polietileno (PET). Em seguida, mediram a eficácia de blindagem eletromagnética (EMI SE) do filme na faixa de frequência da banda X, entre 8,2 e 12,4 GHz. Constataram uma EMI SE superior a 14,92 dB para um filme com aproximadamente 77 nm de espessura. Esse valor aumenta para mais de 20 dB (o valor mínimo exigido para aplicações comerciais) em toda a banda X quando mais filmes foram empilhados. De fato, um filme contendo cinco camadas de grafite empilhadas (com cerca de 385 nm de espessura total) apresenta uma EMI SE de aproximadamente 28 dB, o que significa que o material pode bloquear 99,84% da radiação incidente. No geral, a equipe mediu uma blindagem eletromagnética de 481.000 dB/cm²/g em toda a banda X, superando todos os materiais sintéticos relatados anteriormente.
Os pesquisadores afirmam que, até onde sabem, seu filme de grafite é o mais fino entre os materiais de blindagem relatados, com um desempenho de blindagem EMI que atende aos requisitos para aplicações comerciais. Suas propriedades mecânicas também são favoráveis. A resistência à fratura do material, de aproximadamente 110 MPa (extraída das curvas tensão-deformação do material depositado sobre um suporte de policarbonato), é superior à de filmes de grafite produzidos por outros métodos. O filme também é flexível e pode ser dobrado 1000 vezes com um raio de curvatura de 5 mm sem perder suas propriedades de blindagem EMI. Além disso, é termicamente estável até 550 °C. A equipe acredita que essas e outras propriedades permitem que ele seja usado como um material de blindagem EMI ultrafino, leve, flexível e eficaz para aplicações em diversas áreas, incluindo aeroespacial, eletrônica e optoeletrônica.
Leia as descobertas mais significativas e empolgantes na ciência dos materiais nesta nova revista de acesso aberto.
O Physics World representa uma parte fundamental da missão da IOP Publishing de comunicar pesquisas e inovações de classe mundial ao público mais amplo possível. O site faz parte do portfólio do Physics World, uma coleção de serviços de informação online, digitais e impressos para a comunidade científica global.
Data da publicação: 07 de maio de 2020