Ďakujeme za registráciu na Physics World. Ak chcete kedykoľvek zmeniť svoje údaje, navštívte stránku Môj účet.
Grafitové filmy môžu chrániť elektronické zariadenia pred elektromagnetickým (EM) žiarením, ale súčasné techniky ich výroby trvajú niekoľko hodín a vyžadujú si teploty spracovania okolo 3000 °C. Tím výskumníkov z Národného laboratória pre materiálové vedy v Šen-jangsku na Čínskej akadémii vied teraz demonštroval alternatívny spôsob výroby vysokokvalitných grafitových filmov len za niekoľko sekúnd kalením horúcich pásikov niklovej fólie v etanole. Rýchlosť rastu týchto filmov je o viac ako dva rády vyššia ako pri existujúcich metódach a elektrická vodivosť a mechanická pevnosť filmov sú porovnateľné s filmami vyrobenými pomocou chemického nanášania z pár (CVD).
Všetky elektronické zariadenia produkujú určité elektromagnetické žiarenie. S tým, ako sa zariadenia zmenšujú a pracujú na čoraz vyšších frekvenciách, rastie potenciál elektromagnetického rušenia (EMI), ktoré môže nepriaznivo ovplyvniť výkon zariadenia, ako aj blízkych elektronických systémov.
Grafit, alotrop uhlíka zložený z vrstiev grafénu, ktoré sú spojené van der Waalsovými silami, má množstvo pozoruhodných elektrických, tepelných a mechanických vlastností, vďaka ktorým je účinným štítom proti elektromagnetickému rušeniu. Aby však mal vysokú elektrickú vodivosť, musí mať formu veľmi tenkého filmu, čo je dôležité pre praktické aplikácie EMI, pretože to znamená, že materiál dokáže odrážať a absorbovať elektromagnetické vlny pri ich interakcii s nosičmi náboja vo vnútri.
V súčasnosti zahŕňajú hlavné spôsoby výroby grafitových vrstiev buď vysokoteplotnú pyrolýzu aromatických polymérov, alebo vrstvenie oxidu grafénu (GO) alebo grafénových nanovrstiev vrstvu po vrstve. Oba procesy vyžadujú vysoké teploty okolo 3000 °C a čas spracovania hodinu. Pri CVD sú požadované teploty nižšie (medzi 700 a 1300 °C), ale výroba nanometrových vrstiev trvá niekoľko hodín, a to aj vo vákuu.
Tím vedený Wencai Renom teraz vyrobil vysokokvalitný grafitový film s hrúbkou desiatok nanometrov v priebehu niekoľkých sekúnd zahriatím niklovej fólie na 1200 °C v argónovej atmosfére a následným rýchlym ponorením tejto fólie do etanolu pri teplote 0 °C. Atómy uhlíka vznikajúce rozkladom etanolu difundujú a rozpúšťajú sa v nikle vďaka vysokej rozpustnosti uhlíka v tomto kove (0,4 hmotnostných % pri 1200 °C). Keďže táto rozpustnosť uhlíka pri nízkej teplote výrazne klesá, atómy uhlíka sa následne počas kalenia oddeľujú a vyzrážajú z povrchu niklu, čím vzniká hrubý grafitový film. Výskumníci uvádzajú, že vynikajúca katalytická aktivita niklu tiež napomáha tvorbe vysoko kryštalického grafitu.
Ren a kolegovia pomocou kombinácie transmisnej mikroskopie s vysokým rozlíšením, röntgenovej difrakcie a Ramanovej spektroskopie zistili, že grafit, ktorý vyrobili, bol vysoko kryštalický na veľkých plochách, dobre vrstvený a neobsahoval žiadne viditeľné defekty. Elektrónová vodivosť filmu bola až 2,6 x 105 S/m, čo je podobné filmom vypestovaným CVD alebo vysokoteplotnými technikami a lisovaním filmov GO/grafénu.
Aby tím otestoval, ako dobre dokáže materiál blokovať elektromagnetické žiarenie, preniesol filmy s povrchovou plochou 600 mm2 na substráty vyrobené z polyetyléntereftalátu (PET). Následne zmerali účinnosť tienenia EMI (SE) filmu vo frekvenčnom rozsahu pásma X, medzi 8,2 a 12,4 GHz. Zistili EMI SE viac ako 14,92 dB pre film s hrúbkou približne 77 nm. Táto hodnota sa zvyšuje na viac ako 20 dB (minimálna hodnota požadovaná pre komerčné aplikácie) v celom pásme X, keď na seba naskladali viac filmov. V skutočnosti film obsahujúci päť kusov naskladaných grafitových filmov (s celkovou hrúbkou približne 385 nm) má EMI SE približne 28 dB, čo znamená, že materiál dokáže blokovať 99,84 % dopadajúceho žiarenia. Celkovo tím namerali EMI tienenie 481 000 dB/cm2/g v celom pásme X, čím prekonali všetky predtým hlásené syntetické materiály.
Výskumníci tvrdia, že podľa ich najlepších vedomostí je ich grafitový film najtenší spomedzi zaznamenaných tieniacich materiálov s tieniacimi vlastnosťami proti elektromagnetickému rušeniu, ktoré dokážu splniť požiadavky na komerčné aplikácie. Jeho mechanické vlastnosti sú tiež priaznivé. Pevnosť materiálu v lome približne 110 MPa (extrahovaná z kriviek napätia a deformácie materiálu umiestneného na polykarbonátovom podložke) je vyššia ako u grafitových filmov vypestovaných inými metódami. Film je tiež flexibilný a možno ho 1000-krát ohnúť s polomerom ohybu 5 mm bez straty jeho tieniacich vlastností proti elektromagnetickému rušeniu. Je tiež tepelne stabilný až do 550 °C. Tím sa domnieva, že tieto a ďalšie vlastnosti znamenajú, že by sa mohol použiť ako ultratenký, ľahký, flexibilný a účinný tieniaci materiál proti elektromagnetickému rušeniu pre aplikácie v mnohých oblastiach vrátane leteckého priemyslu, ako aj elektroniky a optoelektroniky.
Prečítajte si najvýznamnejšie a najzaujímavejšie pokroky v materiálovej vede v tomto novom časopise s otvoreným prístupom.
Physics World predstavuje kľúčovú súčasť poslania vydavateľstva IOP Publishing, ktorým je sprostredkovať výskum a inovácie svetovej úrovne čo najširšiemu publiku. Webová stránka je súčasťou portfólia Physics World, čo je súbor online, digitálnych a tlačených informačných služieb pre globálnu vedeckú komunitu.
Čas uverejnenia: 7. mája 2020