ฟิล์มกราไฟต์ที่เติบโตอย่างรวดเร็วจะปิดกั้นรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า

ขอขอบคุณสำหรับการลงทะเบียนกับ Physics World หากคุณต้องการเปลี่ยนแปลงรายละเอียดของคุณเมื่อใดก็ตาม โปรดไปที่บัญชีของฉัน

ฟิล์มกราไฟต์สามารถป้องกันอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จากรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า (EM) ได้ แต่เทคนิคปัจจุบันในการผลิตฟิล์มเหล่านี้ใช้เวลานานหลายชั่วโมงและต้องใช้ความร้อนในการประมวลผลประมาณ 3,000 °C ทีมนักวิจัยจากห้องปฏิบัติการวิทยาศาสตร์วัสดุแห่งชาติเสิ่นหยางแห่งสถาบันวิทยาศาสตร์จีนได้สาธิตวิธีทางเลือกในการผลิตฟิล์มกราไฟต์คุณภาพสูงในเวลาเพียงไม่กี่วินาทีด้วยการชุบแผ่นนิกเกิลฟอยล์ร้อนในเอธานอล อัตราการเติบโตของฟิล์มเหล่านี้สูงกว่าวิธีการที่มีอยู่ถึงสองเท่า และความสามารถในการนำไฟฟ้าและความแข็งแรงเชิงกลของฟิล์มยังเท่าเทียมกับฟิล์มที่ผลิตโดยใช้การสะสมไอเคมี (CVD)

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทุกชนิดจะปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมาบ้าง เมื่ออุปกรณ์มีขนาดเล็กลงและทำงานที่ความถี่สูงขึ้นเรื่อยๆ ความเสี่ยงต่อสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ก็จะเพิ่มมากขึ้น และอาจส่งผลเสียต่อประสิทธิภาพของอุปกรณ์ รวมถึงระบบอิเล็กทรอนิกส์ที่อยู่ใกล้เคียง

กราไฟต์เป็นคาร์บอนชนิดหนึ่งที่สร้างขึ้นจากชั้นของกราฟีนที่ยึดติดกันด้วยแรงแวนเดอร์วาลส์ มีคุณสมบัติทางไฟฟ้า ความร้อน และกลไกที่โดดเด่นหลายประการที่ทำให้กราไฟต์เป็นเกราะป้องกันคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม กราไฟต์จะต้องมีรูปร่างเป็นฟิล์มบางมากจึงจะมีสภาพนำไฟฟ้าสูง ซึ่งมีความสำคัญต่อการใช้งานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในทางปฏิบัติ เนื่องจากหมายความว่าวัสดุสามารถสะท้อนและดูดซับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้เมื่อคลื่นเหล่านี้ทำปฏิกิริยากับตัวพาประจุภายใน

ปัจจุบัน วิธีการหลักในการผลิตฟิล์มกราไฟต์เกี่ยวข้องกับการไพโรไลซิสที่อุณหภูมิสูงของพอลิเมอร์อะโรมาติกหรือการวางซ้อนออกไซด์กราฟีน (GO) หรือแผ่นนาโนกราฟีนเป็นชั้นๆ กระบวนการทั้งสองนี้ต้องใช้ความร้อนสูงประมาณ 3,000 °C และเวลาในการประมวลผลประมาณ 1 ชั่วโมง ใน CVD อุณหภูมิที่ต้องการจะต่ำกว่า (ระหว่าง 700 ถึง 1,300 °C) แต่ต้องใช้เวลาไม่กี่ชั่วโมงในการผลิตฟิล์มที่มีความหนาเป็นนาโนเมตร แม้จะอยู่ในสุญญากาศก็ตาม

ปัจจุบัน ทีมที่นำโดย Wencai Ren ได้ผลิตฟิล์มกราไฟต์คุณภาพสูงที่มีความหนาหลายสิบนาโนเมตรภายในเวลาไม่กี่วินาทีโดยให้ความร้อนแผ่นนิกเกิลถึง 1,200 °C ในบรรยากาศอาร์กอนแล้วจุ่มแผ่นนี้ลงในเอธานอลอย่างรวดเร็วที่อุณหภูมิ 0 °C อะตอมคาร์บอนที่เกิดจากการสลายตัวของเอธานอลจะแพร่กระจายและละลายเข้าไปในนิกเกิลเนื่องจากโลหะนี้มีความสามารถในการละลายคาร์บอนสูง (0.4% ที่อุณหภูมิ 1,200 °C) เนื่องจากความสามารถในการละลายคาร์บอนนี้ลดลงอย่างมากที่อุณหภูมิต่ำ อะตอมคาร์บอนจึงแยกตัวและตกตะกอนจากพื้นผิวของนิกเกิลในระหว่างการดับ ทำให้เกิดฟิล์มกราไฟต์หนา นักวิจัยรายงานว่ากิจกรรมเร่งปฏิกิริยาที่ยอดเยี่ยมของนิกเกิลยังช่วยในการสร้างกราไฟต์ที่มีผลึกสูงอีกด้วย

จากการใช้กล้องจุลทรรศน์แบบส่องผ่านความละเอียดสูง การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ และสเปกโตรสโคปีรามานร่วมกัน Ren และเพื่อนร่วมงานพบว่ากราไฟต์ที่พวกเขาผลิตได้มีลักษณะเป็นผลึกสูงในพื้นที่ขนาดใหญ่ มีชั้นหนา และไม่มีตำหนิที่มองเห็นได้ ค่าการนำไฟฟ้าของฟิล์มสูงถึง 2.6 x 105 S/m ซึ่งใกล้เคียงกับฟิล์มที่ปลูกโดยใช้เทคนิค CVD หรืออุณหภูมิสูง และการกดฟิล์ม GO/กราฟีน

เพื่อทดสอบว่าวัสดุสามารถป้องกันคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้ดีเพียงใด ทีมงานจึงถ่ายโอนฟิล์มที่มีพื้นผิว 600 มม.2 ไปยังวัสดุพื้นผิวที่ทำจากโพลีเอทิลีนเทเรฟทาเลต (PET) จากนั้นจึงวัดประสิทธิภาพการป้องกันคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ของฟิล์มในช่วงความถี่แบนด์ X ระหว่าง 8.2 ถึง 12.4 GHz พบว่า EMI SE มีค่ามากกว่า 14.92 dB สำหรับฟิล์มที่มีความหนาประมาณ 77 นาโนเมตร ค่านี้จะเพิ่มขึ้นเป็นมากกว่า 20 dB (ค่าต่ำสุดที่จำเป็นสำหรับการใช้งานเชิงพาณิชย์) ในแบนด์ X ทั้งหมดเมื่อวางฟิล์มซ้อนกันมากขึ้น ฟิล์มที่มีกราไฟต์ซ้อนกัน 5 ชิ้น (หนาประมาณ 385 นาโนเมตร) จะมี EMI SE อยู่ที่ประมาณ 28 dB ซึ่งหมายความว่าวัสดุนี้สามารถป้องกันคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้ 99.84% โดยรวมแล้ว ทีมงานวัดประสิทธิภาพการป้องกันคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้ 481,000 dB/cm2/g ทั่วแบนด์ X ซึ่งดีกว่าวัสดุสังเคราะห์ที่รายงานไว้ก่อนหน้านี้ทั้งหมด

นักวิจัยกล่าวว่าเท่าที่ทราบ ฟิล์มกราไฟต์ของพวกเขาเป็นวัสดุป้องกันคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่บางที่สุดในบรรดาวัสดุป้องกันคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่รายงานมา โดยมีประสิทธิภาพในการป้องกันคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่สามารถตอบสนองความต้องการสำหรับการใช้งานเชิงพาณิชย์ได้ คุณสมบัติทางกลของฟิล์มกราไฟต์ยังดีอีกด้วย โดยความแข็งแรงในการแตกหักของวัสดุอยู่ที่ประมาณ 110 MPa (ซึ่งสกัดจากเส้นโค้งความเค้น-ความเครียดของวัสดุที่วางบนตัวรองรับโพลีคาร์บอเนต) สูงกว่าฟิล์มกราไฟต์ที่ปลูกโดยวิธีอื่น ฟิล์มนี้ยังมีความยืดหยุ่นและสามารถดัดงอได้ 1,000 ครั้งด้วยรัศมีการดัด 5 มม. โดยไม่สูญเสียคุณสมบัติในการป้องกันคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า นอกจากนี้ ฟิล์มยังมีความเสถียรทางความร้อนสูงถึง 550 °C ทีมงานเชื่อว่าคุณสมบัติเหล่านี้และคุณสมบัติอื่นๆ หมายความว่าฟิล์มสามารถใช้เป็นวัสดุป้องกันคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่บางมาก น้ำหนักเบา ยืดหยุ่น และมีประสิทธิภาพสำหรับการใช้งานในหลายพื้นที่ รวมถึงอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ ตลอดจนอิเล็กทรอนิกส์และออปโตอิเล็กทรอนิกส์

อ่านความก้าวหน้าที่สำคัญและน่าตื่นเต้นที่สุดในด้านวิทยาศาสตร์วัสดุในวารสารการเข้าถึงแบบเปิดใหม่นี้

Physics World ถือเป็นส่วนสำคัญในพันธกิจของ IOP Publishing ในการสื่อสารงานวิจัยและนวัตกรรมระดับโลกให้กับผู้อ่านได้มากที่สุด เว็บไซต์นี้เป็นส่วนหนึ่งของพอร์ตโฟลิโอ Physics World ซึ่งเป็นบริการข้อมูลออนไลน์ ดิจิทัล และสิ่งพิมพ์สำหรับชุมชนวิทยาศาสตร์ทั่วโลก