Благодарим вас за регистрацию на сайте Physics World. Если вы захотите изменить свои данные, пожалуйста, посетите раздел «Мой аккаунт».
Графитовые пленки могут защищать электронные устройства от электромагнитного (ЭМ) излучения, но существующие технологии их изготовления занимают несколько часов и требуют температуры обработки около 3000 °C. Группа исследователей из Шэньянской национальной лаборатории материаловедения Китайской академии наук продемонстрировала альтернативный способ получения высококачественных графитовых пленок всего за несколько секунд путем быстрого охлаждения горячих полос никелевой фольги в этаноле. Скорость роста этих пленок более чем на два порядка выше, чем при использовании существующих методов, а электропроводность и механическая прочность пленок сопоставимы с пленками, полученными методом химического осаждения из газовой фазы (CVD).
Все электронные устройства излучают электромагнитное излучение. По мере того, как устройства становятся все меньше и работают на все более высоких частотах, потенциал электромагнитных помех (ЭМП) возрастает и может негативно влиять на работу самого устройства, а также на работу расположенных рядом электронных систем.
Графит, аллотропная форма углерода, состоящая из слоев графена, удерживаемых вместе силами Ван дер Ваальса, обладает рядом замечательных электрических, тепловых и механических свойств, которые делают его эффективным экраном от электромагнитных помех. Однако для обеспечения высокой электропроводности он должен быть в виде очень тонкой пленки, что важно для практического применения в борьбе с электромагнитными помехами, поскольку это означает, что материал может отражать и поглощать электромагнитные волны при их взаимодействии с носителями заряда внутри него.
В настоящее время основными способами получения графитовых пленок являются либо высокотемпературный пиролиз ароматических полимеров, либо послойное наслаивание оксида графена (ГО) или нанолистов графена. Оба процесса требуют высоких температур около 3000 °C и времени обработки в течение часа. При химическом осаждении из газовой фазы (CVD) требуемые температуры ниже (от 700 до 1300 °C), но для получения пленок нанометровой толщины даже в вакууме требуется несколько часов.
Группа исследователей под руководством Вэньцай Рена получила высококачественную графитовую пленку толщиной в десятки нанометров за несколько секунд, нагревая никелевую фольгу до 1200 °C в атмосфере аргона, а затем быстро погружая эту фольгу в этанол при 0 °C. Атомы углерода, образующиеся при разложении этанола, диффундируют и растворяются в никеле благодаря высокой растворимости углерода в металле (0,4 мас.% при 1200 °C). Поскольку эта растворимость углерода значительно снижается при низких температурах, атомы углерода впоследствии отделяются и осаждаются с поверхности никеля во время закалки, образуя толстую графитовую пленку. Исследователи сообщают, что превосходная каталитическая активность никеля также способствует образованию высококристаллического графита.
Используя комбинацию высокоразрешающей просвечивающей микроскопии, рентгеновской дифракции и рамановской спектроскопии, Рен и его коллеги обнаружили, что полученный ими графит обладал высокой степенью кристалличности на больших площадях, был хорошо слоистым и не содержал видимых дефектов. Электронная проводимость пленки достигала 2,6 × 10⁵ С/м, что сопоставимо с пленками, выращенными методом химического осаждения из газовой фазы (CVD) или высокотемпературными методами и прессованием пленок оксида графена/графена.
Чтобы проверить, насколько хорошо материал может блокировать электромагнитное излучение, команда перенесла пленки с площадью поверхности 600 мм² на подложки из полиэтилентерефталата (ПЭТ). Затем они измерили эффективность экранирования электромагнитных помех (ЭМП) пленки в диапазоне частот X-диапазона, от 8,2 до 12,4 ГГц. Они обнаружили ЭМП более 14,92 дБ для пленки толщиной приблизительно 77 нм. Это значение увеличивается до более чем 20 дБ (минимальное значение, необходимое для коммерческого применения) во всем X-диапазоне при наложении большего количества пленок друг на друга. Действительно, пленка, содержащая пять слоев графитовых пленок (общей толщиной около 385 нм), имеет ЭМП около 28 дБ, что означает, что материал может блокировать 99,84% падающего излучения. В целом, команда измерила экранирование электромагнитных помех на уровне 481 000 дБ/см²/г во всем X-диапазоне, превзойдя все ранее описанные синтетические материалы.
Исследователи утверждают, что, насколько им известно, их графитовая пленка является самой тонкой среди известных экранирующих материалов, обладая экранирующими свойствами, способными удовлетворить требованиям коммерческого применения. Ее механические свойства также благоприятны. Прочность на разрыв материала, составляющая примерно 110 МПа (полученная из кривых напряжение-деформация материала, помещенного на поликарбонатную подложку), выше, чем у графитовых пленок, выращенных другими методами. Пленка также гибкая и может быть согнута 1000 раз с радиусом изгиба 5 мм без потери экранирующих свойств. Она также термостабильна до 550 °C. Команда считает, что эти и другие свойства позволяют использовать ее в качестве сверхтонкого, легкого, гибкого и эффективного экранирующего материала для электромагнитных помех во многих областях, включая аэрокосмическую промышленность, а также электронику и оптоэлектронику.
Читайте о самых значительных и интересных достижениях в материаловении в этом новом журнале с открытым доступом.
Physics World является ключевой частью миссии IOP Publishing по распространению результатов исследований и инноваций мирового уровня среди максимально широкой аудитории. Веб-сайт входит в портфолио Physics World — коллекцию онлайн-, цифровых и печатных информационных сервисов для мирового научного сообщества.
Дата публикации: 07 мая 2020 г.