Спасибо за регистрацию в Physics World. Если вы захотите изменить свои данные в любое время, посетите страницу «Моя учетная запись».
Графитовые пленки могут защищать электронные устройства от электромагнитного (ЭМ) излучения, но современные технологии их производства занимают несколько часов и требуют температур обработки около 3000 °C. Группа исследователей из Шэньянской национальной лаборатории материаловедения Китайской академии наук продемонстрировала альтернативный способ изготовления высококачественных графитовых пленок всего за несколько секунд путем закалки горячих полос никелевой фольги в этаноле. Скорость роста этих пленок более чем на два порядка выше, чем при существующих методах, а электропроводность и механическая прочность пленок сопоставимы с пленками, изготовленными методом химического осаждения из паровой фазы (CVD).
Все электронные устройства производят некоторое количество электромагнитного излучения. Поскольку устройства становятся все меньше и работают на все более высоких частотах, потенциал электромагнитных помех (ЭМП) растет и может отрицательно повлиять на производительность устройства, а также на производительность близлежащих электронных систем.
Графит, аллотроп углерода, состоящий из слоев графена, удерживаемых вместе силами Ван-дер-Ваальса, обладает рядом замечательных электрических, термических и механических свойств, которые делают его эффективным экраном от ЭМП. Однако он должен быть в форме очень тонкой пленки, чтобы иметь высокую электропроводность, что важно для практических приложений ЭМП, поскольку это означает, что материал может отражать и поглощать ЭМ волны, когда они взаимодействуют с носителями заряда внутри него.
В настоящее время основными способами изготовления графитовой пленки являются либо высокотемпературный пиролиз ароматических полимеров, либо наложение слоями оксида графена (GO) или графеновых нанолистов. Оба процесса требуют высоких температур около 3000 °C и времени обработки в течение часа. В CVD требуемые температуры ниже (от 700 до 1300 °C), но для изготовления пленок нанометровой толщины требуется несколько часов, даже в вакууме.
Группа под руководством Вэньцая Рена теперь изготовила высококачественную графитовую пленку толщиной в десятки нанометров в течение нескольких секунд, нагревая никелевую фольгу до 1200 °C в атмосфере аргона, а затем быстро погружая эту фольгу в этанол при 0 °C. Атомы углерода, полученные 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 низкой температуре, атомы углерода впоследствии разделяются 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 просвечивающей микроскопии высокого разрешения, рентгеновской дифракции и рамановской спектроскопии, Рен и его коллеги обнаружили, что полученный ими графит был высококристаллическим на больших площадях, хорошо слоистым и не содержал видимых дефектов. Электронная проводимость пленки достигала 2,6 x 105 См/м, что аналогично пленкам, выращенным методами CVD или высокотемпературными методами, а также прессованием пленок GO/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 ЭМИ (SE) пленки в диапазоне частот X-диапазона от 8,2 до 12,4 ГГц. Они обнаружили, что SE ЭМИ составляет 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 диапазоне X, когда они складывают вместе больше пленок. Действительно, пленка, содержащая пять частей сложенных друг на друга графитовых пленок (общая толщина около 385 нм), имеет SE ЭМИ около 28 дБ, что означает, что материал может блокировать 99,84% падающего излучения. В целом команда измерила экранирование ЭМИ 481 000 дБ/см2/г по всему диапазону X, что превзошло все ранее зарегистрированные синтетические материалы.
Исследователи говорят, что, насколько им известно, их графитовая пленка является самой тонкой среди известных экранирующих материалов с характеристиками экранирования ЭМИ, которые могут удовлетворить требованиям коммерческих приложений. Ее механические свойства также благоприятны. Прочность материала на разрыв примерно 110 МПа (извлеченная из кривых напряжения-деформации материала, размещенного на поликарбонатной подложке) выше, чем у графитовых пленок, выращенных другими методами. Пленка также гибкая и может быть согнута 1000 раз с радиусом изгиба 5 мм без потери своих свойств экранирования ЭМИ. Она также термически стабильна до 550 °C. Группа считает, что эти и другие свойства означают, что ее можно использовать в качестве сверхтонкого, легкого, гибкого и эффективного материала экранирования ЭМИ для приложений во многих областях, включая аэрокосмическую промышленность, а также электронику и оптоэлектронику.
Ознакомьтесь с наиболее значительными и захватывающими достижениями в области материаловедения в этом новом журнале с открытым доступом.
Physics World представляет собой ключевую часть миссии IOP Publishing по распространению исследований и инноваций мирового уровня среди максимально широкой аудитории. Веб-сайт является частью портфолио Physics World, коллекции онлайновых, цифровых и печатных информационных услуг для мирового научного сообщества.
Время публикации: 07-05-2020