Hvala, ker ste se registrirali v Physics World. Če želite kadar koli spremeniti svoje podatke, obiščite Moj račun.
Grafitne folije lahko zaščitijo elektronske naprave pred elektromagnetnim (EM) sevanjem, vendar trenutne tehnike za njihovo izdelavo trajajo več ur in zahtevajo temperaturo obdelave okoli 3000 °C. Ekipa raziskovalcev iz Nacionalnega laboratorija za materiale Shenyang na Kitajski akademiji znanosti je zdaj predstavila alternativni način izdelave visokokakovostnih grafitnih folij v samo nekaj sekundah z gašenjem vročih trakov nikljeve folije v etanolu. Stopnja rasti teh folij je za več kot dva velikostna reda višja kot pri obstoječih metodah, električna prevodnost in mehanska trdnost folij pa sta na ravni folij, izdelanih s kemičnim nanašanjem iz pare (CVD).
Vse elektronske naprave proizvajajo nekaj elektromagnetnega sevanja. Ko naprave postajajo vedno manjše in delujejo na vedno višjih frekvencah, se povečuje potencial za elektromagnetne motnje (EMI), ki lahko negativno vplivajo na delovanje naprave in bližnjih elektronskih sistemov.
Grafit, alotrop ogljika, zgrajen iz plasti grafena, ki jih držijo skupaj van der Waalsove sile, ima številne izjemne električne, toplotne in mehanske lastnosti, zaradi katerih je učinkovit ščit pred elektromagnetnimi motnjami. Vendar pa mora biti v obliki zelo tanke plasti, da ima visoko električno prevodnost, kar je pomembno za praktične aplikacije EMI, saj pomeni, da lahko material odbija in absorbira elektromagnetne valove, ko ti interagirajo z nosilci naboja v njem.
Trenutno glavni načini izdelave grafitnega filma vključujejo bodisi visokotemperaturno pirolizo aromatskih polimerov bodisi zlaganje grafenovega (GO) oksida ali grafenovih nanoslistov plast za plastjo. Oba procesa zahtevata visoke temperature okoli 3000 °C in čas obdelave eno uro. Pri CVD so potrebne nižje temperature (med 700 in 1300 °C), vendar je za izdelavo nanometrskih filmov potrebnih nekaj ur, tudi v vakuumu.
Ekipa pod vodstvom Wencaija Rena je v nekaj sekundah izdelala visokokakovosten grafitni film, debel več deset nanometrov, tako da je nikljevo folijo segrela na 1200 °C v atmosferi argona in nato to folijo hitro potopila v etanol pri 0 °C. Atomi ogljika, ki nastanejo pri razgradnji etanola, difundirajo in se raztopijo v niklju zaradi visoke topnosti ogljika v kovini (0,4 mas. % pri 1200 °C). Ker se ta topnost ogljika pri nizki temperaturi močno zmanjša, se atomi ogljika med kaljenjem nato ločijo in oborijo s površine niklja, kar povzroči debelo grafitno folijo. Raziskovalci poročajo, da odlična katalitična aktivnost niklja pomaga tudi pri nastanku visoko kristaliničnega grafita.
Ren in sodelavci so s kombinacijo visokoločljivostne transmisijske mikroskopije, rentgenske difrakcije in Ramanove spektroskopije ugotovili, da je grafit, ki so ga proizvedli, zelo kristaliničen na velikih površinah, dobro plastovit in brez vidnih napak. Elektronska prevodnost filma je bila visoka kar 2,6 x 105 S/m, podobno kot pri filmih, vzgojenih s CVD ali visokotemperaturnimi tehnikami in stiskanjem filmov GO/grafen.
Da bi preizkusili, kako dobro material blokira elektromagnetno sevanje, je ekipa prenesla filme s površino 600 mm2 na podlage iz polietilen tereftalata (PET). Nato so izmerili učinkovitost zaščite pred elektromagnetnimi motnjami (SE) filma v frekvenčnem območju X-pasu, med 8,2 in 12,4 GHz. Ugotovili so, da je SE EMI večji od 14,92 dB za film, debel približno 77 nm. Ta vrednost se poveča na več kot 20 dB (minimalna vrednost, potrebna za komercialne aplikacije) v celotnem X-pasu, ko so skupaj zložili več filmov. Dejansko ima film, ki vsebuje pet kosov zloženih grafitnih filmov (skupne debeline približno 385 nm), SE EMI približno 28 dB, kar pomeni, da lahko material blokira 99,84 % vpadnega sevanja. Skupno je ekipa izmerila zaščito pred elektromagnetnimi motnjami 481.000 dB/cm2/g v celotnem X-pasu, kar presega vse prej opisane sintetične materiale.
Raziskovalci pravijo, da je njihov grafitni film po njihovem najboljšem vedenju najtanjši med prijavljenimi zaščitnimi materiali, z zmogljivostjo zaščite pred EMI, ki lahko zadovolji zahteve za komercialno uporabo. Tudi njegove mehanske lastnosti so ugodne. Zlomna trdnost materiala, ki znaša približno 110 MPa (izračunana iz krivulj napetosti in deformacije materiala, nameščenega na polikarbonatni nosilec), je višja kot pri grafitnih filmih, vzgojenih z drugimi metodami. Film je tudi prožen in se lahko upogne 1000-krat z polmerom upogiba 5 mm, ne da bi pri tem izgubil svoje lastnosti zaščite pred EMI. Prav tako je toplotno stabilen do 550 °C. Ekipa verjame, da te in druge lastnosti pomenijo, da bi ga lahko uporabili kot ultra tanek, lahek, prožen in učinkovit material za zaščito pred EMI za uporabo na številnih področjih, vključno z vesoljsko industrijo, elektroniko in optoelektroniko.
Preberite najpomembnejše in najvznemirljivejše dosežke v znanosti o materialih v tej novi reviji z odprtim dostopom.
Physics World predstavlja ključni del poslanstva založbe IOP Publishing, da bi čim širšemu občinstvu predstavila vrhunske raziskave in inovacije. Spletna stran je del portfelja Physics World, zbirke spletnih, digitalnih in tiskanih informacijskih storitev za svetovno znanstveno skupnost.
Čas objave: 7. maj 2020