Vă mulțumim că v-ați înregistrat la Physics World. Dacă doriți să vă modificați datele în orice moment, vă rugăm să vizitați Contul meu.
Peliculele de grafit pot proteja dispozitivele electronice de radiațiile electromagnetice (EM), însă tehnicile actuale de fabricare a acestora durează câteva ore și necesită temperaturi de procesare de aproximativ 3000 °C. O echipă de cercetători de la Laboratorul Național Shenyang pentru Știința Materialelor din cadrul Academiei Chineze de Științe a demonstrat acum o modalitate alternativă de a realiza pelicule de grafit de înaltă calitate în doar câteva secunde, prin răcirea benzilor fierbinți de folie de nichel în etanol. Rata de creștere pentru aceste pelicule este cu peste două ordine de mărime mai mare decât în metodele existente, iar conductivitatea electrică și rezistența mecanică a peliculelor sunt comparabile cu cele ale peliculelor realizate prin depunere chimică din vapori (CVD).
Toate dispozitivele electronice produc o anumită radiație electromagnetică. Pe măsură ce dispozitivele devin din ce în ce mai mici și funcționează la frecvențe din ce în ce mai mari, potențialul de interferență electromagnetică (EMI) crește și poate afecta negativ performanța dispozitivului, precum și pe cea a sistemelor electronice din apropiere.
Grafitul, un alotrop al carbonului construit din straturi de grafen ținute împreună de forțele van der Waals, are o serie de proprietăți electrice, termice și mecanice remarcabile care îl fac un scut eficient împotriva EMI. Cu toate acestea, trebuie să fie sub forma unei pelicule foarte subțiri pentru a avea o conductivitate electrică ridicată, ceea ce este important pentru aplicațiile practice EMI, deoarece înseamnă că materialul poate reflecta și absorbi undele electromagnetice pe măsură ce acestea interacționează cu purtătorii de sarcină din interiorul său.
În prezent, principalele metode de fabricare a peliculelor de grafit implică fie piroliza la temperatură înaltă a polimerilor aromatici, fie suprapunerea strat cu strat a oxidului de grafen (GO) sau a nanostratelor de grafen. Ambele procese necesită temperaturi ridicate, de aproximativ 3000 °C, și timpi de procesare de o oră. În CVD, temperaturile necesare sunt mai mici (între 700 și 1300 °C), dar este nevoie de câteva ore pentru a realiza pelicule cu grosimea nanometrică, chiar și în vid.
O echipă condusă de Wencai Ren a produs acum o peliculă de grafit de înaltă calitate, cu o grosime de zeci de nanometri, în câteva secunde, prin încălzirea unei folii de nichel la 1200 °C într-o atmosferă de argon și apoi prin imersarea rapidă a acestei folii în etanol la 0 °C. Atomii de carbon produși prin descompunerea etanolului difuzează și se dizolvă în nichel datorită solubilității ridicate a metalului în carbon (0,4% în greutate la 1200 °C). Deoarece această solubilitate a carbonului scade considerabil la temperatură scăzută, atomii de carbon se separă ulterior și precipită de pe suprafața nichelului în timpul călirii, producând o peliculă groasă de grafit. Cercetătorii raportează că excelenta activitate catalitică a nichelului ajută, de asemenea, la formarea grafitului extrem de cristalin.
Folosind o combinație de microscopie de transmisie de înaltă rezoluție, difracție de raze X și spectroscopie Raman, Ren și colegii săi au descoperit că grafitul produs era foarte cristalin pe suprafețe mari, bine stratificat și nu conținea defecte vizibile. Conductivitatea electronică a peliculei a fost de până la 2,6 x 105 S/m, similară cu peliculele crescute prin tehnici CVD sau la temperaturi înalte și presarea peliculelor GO/grafen.
Pentru a testa cât de bine poate materialul să blocheze radiațiile EM, echipa a transferat filme cu o suprafață de 600 mm2 pe substraturi din tereftalat de polietilenă (PET). Apoi au măsurat eficacitatea de ecranare EMI (SE) a filmului în intervalul de frecvență al benzii X, între 8,2 și 12,4 GHz. Au găsit o EMI SE de peste 14,92 dB pentru un film cu grosimea de aproximativ 77 nm. Această valoare crește la peste 20 dB (valoarea minimă necesară pentru aplicații comerciale) în întreaga bandă X atunci când au suprapus mai multe filme. Într-adevăr, un film care conține cinci bucăți de filme de grafit suprapuse (cu o grosime totală de aproximativ 385 nm) are o EMI SE de aproximativ 28 dB, ceea ce înseamnă că materialul poate bloca 99,84% din radiațiile incidente. Per total, echipa a măsurat o ecranare EMI de 481.000 dB/cm2/g pe banda X, depășind toate materialele sintetice raportate anterior.
Cercetătorii spun că, din câte știu, pelicula lor de grafit este cea mai subțire dintre materialele de ecranare raportate, cu o performanță de ecranare EMI care poate satisface cerințele pentru aplicații comerciale. Proprietățile sale mecanice sunt, de asemenea, favorabile. Rezistența la fractură a materialului de aproximativ 110 MPa (extrasă din curbele stres-deformare ale materialului plasat pe un suport de policarbonat) este mai mare decât cea a peliculelor de grafit crescute prin alte metode. Pelicula este, de asemenea, flexibilă și poate fi îndoită de 1000 de ori cu o rază de îndoire de 5 mm fără a-și pierde proprietățile de ecranare EMI. De asemenea, este stabilă termic până la 550 °C. Echipa consideră că aceste proprietăți, precum și altele, înseamnă că ar putea fi utilizată ca material de ecranare EMI ultrasubțire, ușor, flexibil și eficient pentru aplicații în multe domenii, inclusiv în industria aerospațială, precum și în electronică și optoelectronică.
Citiți cele mai semnificative și interesante progrese din știința materialelor în această nouă revistă cu acces liber.
Physics World reprezintă o parte esențială a misiunii IOP Publishing de a comunica cercetări și inovații de talie mondială către un public cât mai larg posibil. Site-ul web face parte din portofoliul Physics World, o colecție de servicii de informare online, digitale și tipărite pentru comunitatea științifică globală.
Data publicării: 07 mai 2020