ฟิล์มกราไฟต์ที่เติบโตอย่างรวดเร็วสามารถป้องกันรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าได้

ขอบคุณที่ลงทะเบียนกับ Physics World หากคุณต้องการเปลี่ยนแปลงรายละเอียดใดๆ โปรดไปที่ บัญชีของฉัน

ฟิล์มกราไฟต์สามารถป้องกันอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จากรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า (EM) ได้ แต่เทคนิคการผลิตในปัจจุบันต้องใช้เวลาหลายชั่วโมงและต้องใช้ความร้อนสูงถึงประมาณ 3000 องศาเซลเซียส ทีมวิจัยจากห้องปฏิบัติการวิทยาศาสตร์วัสดุแห่งชาติเสิ่นหยาง สังกัดสถาบันวิทยาศาสตร์แห่งประเทศจีน ได้สาธิตวิธีการใหม่ในการผลิตฟิล์มกราไฟต์คุณภาพสูงได้ในเวลาเพียงไม่กี่วินาที โดยการทำให้แผ่นฟอยล์นิกเกิลร้อนเย็นลงในเอทานอลอย่างรวดเร็ว อัตราการเติบโตของฟิล์มเหล่านี้สูงกว่าวิธีการที่มีอยู่เดิมถึงสองเท่า และค่าการนำไฟฟ้าและความแข็งแรงเชิงกลของฟิล์มก็เทียบเท่ากับฟิล์มที่ผลิตโดยใช้กระบวนการการตกตะกอนไอสารเคมี (CVD)

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทุกชนิดล้วนปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา เนื่องจากอุปกรณ์มีขนาดเล็ลงและทำงานที่ความถี่สูงขึ้นเรื่อยๆ โอกาสที่จะเกิดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) จึงเพิ่มมากขึ้น และอาจส่งผลเสียต่อประสิทธิภาพของอุปกรณ์นั้นๆ รวมถึงระบบอิเล็กทรอนิกส์ที่อยู่ใกล้เคียงด้วย

กราไฟต์ ซึ่งเป็นไอโซโทปของคาร์บอนที่สร้างขึ้นจากชั้นของกราฟีนที่ยึดติดกันด้วยแรงแวนเดอร์วาลส์ มีคุณสมบัติทางไฟฟ้า ความร้อน และกลไกที่โดดเด่นหลายประการ ทำให้เป็นวัสดุที่มีประสิทธิภาพในการป้องกันคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม กราไฟต์ต้องอยู่ในรูปของฟิล์มบางมากเพื่อให้มีค่าการนำไฟฟ้าสูง ซึ่งมีความสำคัญต่อการใช้งานด้านการป้องกันคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในทางปฏิบัติ เพราะหมายความว่าวัสดุสามารถสะท้อนและดูดซับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้เมื่อคลื่นเหล่านั้นมีปฏิสัมพันธ์กับตัวนำประจุภายในวัสดุ

ในปัจจุบัน วิธีหลักในการผลิตฟิล์มกราไฟต์ ได้แก่ การเผาไหม้พอลิเมอร์อะโรมาติกที่อุณหภูมิสูง หรือการเรียงซ้อนชั้นของกราฟีนออกไซด์ (GO) หรือนาโนชีทกราฟีนทีละชั้น ทั้งสองกระบวนการนี้ต้องใช้อุณหภูมิสูงประมาณ 3000 °C และใช้เวลาในการประมวลผลประมาณหนึ่งชั่วโมง ส่วนในกระบวนการ CVD นั้น อุณหภูมิที่ต้องการจะต่ำกว่า (ระหว่าง 700 ถึง 1300 °C) แต่ต้องใช้เวลาหลายชั่วโมงในการผลิตฟิล์มที่มีความหนาระดับนาโนเมตร แม้ในสภาวะสุญญากาศก็ตาม

ทีมวิจัยที่นำโดยเหวินไฉ่ เหริน ได้ผลิตฟิล์มกราไฟต์คุณภาพสูงที่มีความหนาหลายสิบนาโนเมตรภายในเวลาไม่กี่วินาที โดยการให้ความร้อนแก่แผ่นฟอยล์นิกเกิลที่อุณหภูมิ 1200 องศาเซลเซียสในบรรยากาศอาร์กอน แล้วจุ่มแผ่นฟอยล์นั้นลงในเอทานอลที่อุณหภูมิ 0 องศาเซลเซียสอย่างรวดเร็ว อะตอมของคาร์บอนที่เกิดจากการสลายตัวของเอทานอลจะแพร่กระจายและละลายเข้าไปในนิกเกิลเนื่องจากโลหะชนิดนี้ละลายคาร์บอนได้สูง (0.4% โดยน้ำหนักที่ 1200 องศาเซลเซียส) เนื่องจากความสามารถในการละลายของคาร์บอนลดลงอย่างมากที่อุณหภูมิต่ำ อะตอมของคาร์บอนจึงแยกตัวและตกตะกอนออกจากพื้นผิวนิกเกิลในระหว่างการทำให้เย็นตัวอย่างรวดเร็ว ทำให้เกิดฟิล์มกราไฟต์หนา นักวิจัยรายงานว่ากิจกรรมเร่งปฏิกิริยาที่ดีเยี่ยมของนิกเกิลยังช่วยในการก่อตัวของกราไฟต์ที่มีผลึกสูงอีกด้วย

จากการใช้กล้องจุลทรรศน์แบบส่งผ่านความละเอียดสูง การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ และสเปกโทรสโกปีรามาน เรนและคณะพบว่ากราไฟต์ที่พวกเขาผลิตได้นั้นมีโครงสร้างผลึกสูงในพื้นที่ขนาดใหญ่ มีการเรียงตัวเป็นชั้นอย่างดี และไม่มีข้อบกพร่องที่มองเห็นได้ ค่าการนำไฟฟ้าของฟิล์มสูงถึง 2.6 x 10⁵ S/m ซึ่งใกล้เคียงกับฟิล์มที่ปลูกโดยวิธี CVD หรือเทคนิคอุณหภูมิสูง และการอัดฟิล์ม GO/กราฟีน

เพื่อทดสอบว่าวัสดุนี้สามารถป้องกันรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าได้ดีเพียงใด ทีมวิจัยได้ถ่ายโอนฟิล์มที่มีพื้นที่ผิว 600 ตารางมิลลิเมตรไปยังพื้นผิวที่ทำจากโพลีเอทิลีนเทเรฟทาเลต (PET) จากนั้นพวกเขาวัดประสิทธิภาพการป้องกันคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI shielding effectiveness หรือ SE) ของฟิล์มในช่วงความถี่ X-band ระหว่าง 8.2 ถึง 12.4 GHz พวกเขาพบว่าค่า EMI SE มากกว่า 14.92 dB สำหรับฟิล์มที่มีความหนาประมาณ 77 นาโนเมตร ค่านี้เพิ่มขึ้นเป็นมากกว่า 20 dB (ค่าขั้นต่ำที่จำเป็นสำหรับการใช้งานเชิงพาณิชย์) ในช่วง X-band ทั้งหมดเมื่อพวกเขาซ้อนฟิล์มเข้าด้วยกันมากขึ้น ฟิล์มที่ประกอบด้วยฟิล์มกราไฟต์ซ้อนกันห้าชิ้น (ความหนารวมประมาณ 385 นาโนเมตร) มีค่า EMI SE ประมาณ 28 dB ซึ่งหมายความว่าวัสดุนี้สามารถป้องกันรังสีที่ตกกระทบได้ 99.84% โดยรวมแล้ว ทีมวิจัยวัดค่าการป้องกันคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้ 481,000 dB/cm²/g ในช่วง X-band ซึ่งเหนือกว่าวัสดุสังเคราะห์ทั้งหมดที่เคยมีการรายงานมาก่อน

นักวิจัยกล่าวว่า เท่าที่พวกเขาทราบ ฟิล์มกราไฟต์ของพวกเขานั้นบางที่สุดในบรรดาวัสดุป้องกันคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เคยมีการรายงานมา โดยมีประสิทธิภาพการป้องกันคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่สามารถตอบสนองความต้องการสำหรับการใช้งานเชิงพาณิชย์ได้ คุณสมบัติทางกลของวัสดุก็ดีเยี่ยมเช่นกัน ความแข็งแรงในการแตกหักของวัสดุอยู่ที่ประมาณ 110 MPa (ได้จากการวิเคราะห์กราฟความเค้น-ความเครียดของวัสดุที่วางบนแผ่นรองรับโพลีคาร์บอเนต) ซึ่งสูงกว่าฟิล์มกราไฟต์ที่ผลิตด้วยวิธีอื่นๆ ฟิล์มนี้มีความยืดหยุ่นสูง สามารถดัดงอได้ 1,000 ครั้ง โดยมีรัศมีการดัดงอ 5 มม. โดยไม่สูญเสียคุณสมบัติการป้องกันคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า นอกจากนี้ยังมีความเสถียรทางความร้อนสูงถึง 550 °C ทีมงานเชื่อว่าคุณสมบัติเหล่านี้และคุณสมบัติอื่นๆ หมายความว่าฟิล์มนี้สามารถนำไปใช้เป็นวัสดุป้องกันคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่บางเฉียบ น้ำหนักเบา ยืดหยุ่น และมีประสิทธิภาพ สำหรับการใช้งานในหลายๆ ด้าน รวมถึงอวกาศ อิเล็กทรอนิกส์ และออปโตอิเล็กทรอนิกส์

อ่านความก้าวหน้าครั้งสำคัญและน่าตื่นเต้นที่สุดในด้านวิทยาศาสตร์วัสดุได้ในวารสารฉบับใหม่ที่เปิดให้เข้าถึงได้ฟรีนี้

Physics World เป็นส่วนสำคัญของพันธกิจของ IOP Publishing ในการสื่อสารงานวิจัยและนวัตกรรมระดับโลกไปยังกลุ่มเป้าหมายที่กว้างที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ เว็บไซต์นี้เป็นส่วนหนึ่งของกลุ่มผลิตภัณฑ์ Physics World ซึ่งเป็นชุดบริการข้อมูลออนไลน์ ดิจิทัล และสิ่งพิมพ์สำหรับชุมชนวิทยาศาสตร์ทั่วโลก