يحجب فيلم الجرافيت سريع النمو الإشعاع الكهرومغناطيسي

شكرًا لك على التسجيل في Physics World إذا كنت ترغب في تغيير التفاصيل الخاصة بك في أي وقت، يرجى زيارة حسابي

يمكن لأفلام الجرافيت أن تحمي الأجهزة الإلكترونية من الإشعاع الكهرومغناطيسي (EM)، لكن التقنيات الحالية لتصنيعها تستغرق عدة ساعات وتتطلب درجات حرارة معالجة تبلغ حوالي 3000 درجة مئوية. أظهر فريق من الباحثين من مختبر شنيانغ الوطني لعلوم المواد في الأكاديمية الصينية للعلوم طريقة بديلة لصنع أفلام جرافيت عالية الجودة في ثوانٍ معدودة عن طريق إخماد شرائح ساخنة من رقائق النيكل في الإيثانول. معدل نمو هذه الأغشية أعلى بأكثر من ضعفين من الطرق الحالية، وتتساوى الموصلية الكهربائية والقوة الميكانيكية للأغشية مع تلك الخاصة بالأغشية المصنوعة باستخدام ترسيب البخار الكيميائي (CVD).

جميع الأجهزة الإلكترونية تنتج بعض الإشعاع الكهرومغناطيسي. نظرًا لأن الأجهزة أصبحت أصغر حجمًا وتعمل بترددات أعلى وأعلى، فإن احتمالية التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) تنمو، ويمكن أن تؤثر سلبًا على أداء الجهاز وكذلك أداء الأنظمة الإلكترونية القريبة.

الجرافيت، وهو عبارة عن متآصلة من الكربون مبنية من طبقات من الجرافين متماسكة معًا بواسطة قوى فان دير فالس، لديه عدد من الخصائص الكهربائية والحرارية والميكانيكية الرائعة التي تجعله درعًا فعالًا ضد التداخلات الكهرومغناطيسية. ومع ذلك، يجب أن تكون على شكل طبقة رقيقة جدًا حتى تتمتع بموصلية كهربائية عالية، وهو أمر مهم لتطبيقات EMI العملية لأنه يعني أن المادة يمكن أن تعكس وتمتص موجات EM أثناء تفاعلها مع حاملات الشحنة بالداخل. هو - هي.

في الوقت الحاضر، تتضمن الطرق الرئيسية لصنع فيلم الجرافيت إما الانحلال الحراري عالي الحرارة للبوليمرات العطرية، أو تكديس أكسيد الجرافين (GO) أو صفائح الجرافين النانوية طبقة تلو الأخرى. تتطلب كلتا العمليتين درجات حرارة عالية تصل إلى حوالي 3000 درجة مئوية وأوقات معالجة تصل إلى ساعة. في أمراض القلب والأوعية الدموية، تكون درجات الحرارة المطلوبة أقل (بين 700 إلى 1300 درجة مئوية)، ولكن الأمر يستغرق بضع ساعات لصنع أفلام بسمك نانومتر، حتى في الفراغ.

أنتج فريق بقيادة Wencai Ren الآن فيلم جرافيت عالي الجودة يبلغ سمكه عشرات النانومترات في غضون ثوانٍ قليلة عن طريق تسخين رقائق النيكل إلى 1200 درجة مئوية في جو الأرجون ثم غمر هذه الرقاقة بسرعة في الإيثانول عند درجة حرارة 0 درجة مئوية. تنتشر ذرات الكربون الناتجة عن تحلل الإيثانول وتذوب في النيكل بفضل قابلية المعدن العالية للذوبان في الكربون (0.4٪ بالوزن عند 1200 درجة مئوية). نظرًا لأن قابلية ذوبان الكربون تنخفض بشكل كبير عند درجة حرارة منخفضة، فإن ذرات الكربون تنفصل لاحقًا وتترسب عن سطح النيكل أثناء التبريد، مما ينتج عنه طبقة جرافيت سميكة. أفاد الباحثون أن النشاط التحفيزي الممتاز للنيكل يساعد أيضًا في تكوين الجرافيت عالي التبلور.

باستخدام مزيج من المجهر النافذ عالي الدقة، وحيود الأشعة السينية، ومطيافية رامان، وجد رين وزملاؤه أن الجرافيت الذي أنتجوه كان شديد التبلور على مساحات واسعة، وطبقات جيدة، ولا يحتوي على أي عيوب مرئية. وصلت الموصلية الإلكترونية للفيلم إلى 2.6 × 105 S/m، على غرار الأفلام التي تم إنتاجها بواسطة الأمراض القلبية الوعائية أو تقنيات درجات الحرارة العالية وضغط أفلام GO/الجرافين.

ولاختبار مدى قدرة المادة على حجب الإشعاع الكهرومغناطيسي، نقل الفريق أفلامًا بمساحة سطحية قدرها 600 مم2 على ركائز مصنوعة من البولي إيثيلين تيريفثاليت (PET). ثم قاموا بقياس فعالية التدريع الكهرومغناطيسي للفيلم (SE) في نطاق تردد النطاق X، بين 8.2 و12.4 جيجا هرتز. لقد وجدوا EMI SE بأكثر من 14.92 ديسيبل لفيلم يبلغ سمكه حوالي 77 نانومتر. تزيد هذه القيمة إلى أكثر من 20 ديسيبل (الحد الأدنى للقيمة المطلوبة للتطبيقات التجارية) في النطاق X بأكمله عندما يتم تجميع المزيد من الأفلام معًا. في الواقع، يحتوي الفيلم الذي يحتوي على خمس قطع من أفلام الجرافيت المكدسة (بسمك إجمالي يبلغ حوالي 385 نانومتر) على EMI SE يبلغ حوالي 28 ديسيبل، مما يعني أن المادة يمكنها حجب 99.84% من الإشعاع الساقط. بشكل عام، قام الفريق بقياس درع EMI قدره 481000 ديسيبل/سم2/جم عبر النطاق X، متفوقًا على جميع المواد الاصطناعية التي تم الإبلاغ عنها مسبقًا.

ويقول الباحثون إنه على حد علمهم، فإن طبقة الجرافيت الخاصة بهم هي الأرق بين مواد التدريع المُبلغ عنها، مع أداء تدريع EMI يمكنه تلبية متطلبات التطبيقات التجارية. خصائصه الميكانيكية هي أيضا مواتية. إن قوة كسر المادة التي تبلغ حوالي 110 ميجا باسكال (المستخرجة من منحنيات الإجهاد والانفعال للمادة الموضوعة على دعامة من البولي كربونات) أعلى من قوة أفلام الجرافيت المزروعة بالطرق الأخرى. يتميز الغشاء بالمرونة أيضًا، ويمكن ثنيه 1000 مرة بنصف قطر انحناء يبلغ 5 مم دون فقدان خصائص التدريع الكهرومغناطيسي. كما أنه مستقر حرارياً حتى 550 درجة مئوية. يعتقد الفريق أن هذه الخصائص وغيرها تعني أنه يمكن استخدامها كمادة درع EMI رفيعة للغاية وخفيفة الوزن ومرنة وفعالة للتطبيقات في العديد من المجالات، بما في ذلك الفضاء الجوي وكذلك الإلكترونيات والإلكترونيات الضوئية.

اقرأ التطورات الأكثر أهمية وإثارة في علم المواد في هذه المجلة الجديدة ذات الوصول المفتوح.

يمثل عالم الفيزياء جزءًا أساسيًا من مهمة IOP Publishing لتوصيل الأبحاث والابتكارات ذات المستوى العالمي إلى أوسع جمهور ممكن. يشكل الموقع جزءًا من مجموعة Physics World، وهي عبارة عن مجموعة من خدمات المعلومات الرقمية والمطبوعة عبر الإنترنت للمجتمع العلمي العالمي.