Hurtigt dyrket grafitfilm blokerer elektromagnetisk stråling

Tak, fordi du registrerede dig hos Physics World. Hvis du til enhver tid vil ændre dine oplysninger, bedes du besøge Min konto

Grafitfilm kan beskytte elektroniske enheder mod elektromagnetisk (EM) stråling, men de nuværende teknikker til at fremstille dem tager flere timer og kræver behandlingstemperaturer på omkring 3000 °C. Et team af forskere fra Shenyang National Laboratory for Materials Science ved det kinesiske videnskabsakademi har nu demonstreret en alternativ måde at lave grafitfilm af høj kvalitet på på få sekunder ved at slukke varme strimler af nikkelfolie i ethanol. Væksthastigheden for disse film er mere end to størrelsesordener højere end i eksisterende metoder, og filmenes elektriske ledningsevne og mekaniske styrke er på niveau med film fremstillet ved brug af kemisk dampaflejring (CVD).

Alle elektroniske enheder producerer en vis EM-stråling. Efterhånden som enheder bliver stadig mindre og fungerer ved højere og højere frekvenser, vokser potentialet for elektromagnetisk interferens (EMI), og det kan have en negativ indvirkning på enhedens ydeevne såvel som i nærliggende elektroniske systemer.

Grafit, en allotrop af kulstof bygget af lag af grafen holdt sammen af ​​van der Waals-kræfter, har en række bemærkelsesværdige elektriske, termiske og mekaniske egenskaber, der gør det til et effektivt skjold mod EMI. Det skal dog være i form af en meget tynd film for at have en høj elektrisk ledningsevne, hvilket er vigtigt for praktiske EMI-applikationer, fordi det betyder, at materialet kan reflektere og absorbere EM-bølger, når de interagerer med ladningsbærerne indeni det.

På nuværende tidspunkt involverer de vigtigste måder at fremstille grafitfilm på enten højtemperatur pyrolyse af aromatiske polymerer eller opstabling af grafen (GO) oxid eller grafen nanoark lag for lag. Begge processer kræver høje temperaturer på omkring 3000 °C og behandlingstider på en time. I CVD er de nødvendige temperaturer lavere (mellem 700 til 1300 °C), men det tager et par timer at lave nanometertykke film, selv i vakuum.

Et hold ledet af Wencai Ren har nu produceret højkvalitets grafitfilm, som er titusinder af nanometer tykt inden for få sekunder ved at opvarme nikkelfolie til 1200 °C i en argonatmosfære og derefter hurtigt nedsænke denne folie i ethanol ved 0 °C. Kulstofatomerne fremstillet ved nedbrydning af ethanol diffunderer og opløses i nikkel takket være metallets høje kulstofopløselighed (0,4 vægt% ved 1200 °C). Fordi denne kulstofopløselighed falder kraftigt ved lav temperatur, adskiller kulstofatomerne sig efterfølgende og udfælder fra nikkeloverfladen under bratkøling, hvilket producerer en tyk grafitfilm. Forskerne rapporterer, at den fremragende katalytiske aktivitet af nikkel også hjælper med dannelsen af ​​højkrystallinsk grafit.

Ved at bruge en kombination af højopløsningstransmissionsmikroskopi, røntgendiffraktion og Raman-spektroskopi fandt Ren og kolleger, at grafitten, de producerede, var meget krystallinsk over store områder, godt lagdelt og indeholdt ingen synlige defekter. Filmens elektronledningsevne var så høj som 2,6 x 105 S/m, svarende til film dyrket ved CVD eller højtemperaturteknikker og presning af GO/grafenfilm.

For at teste, hvor godt materialet kunne blokere EM-stråling, overførte holdet film med et overfladeareal på 600 mm2 til substrater lavet af polyethylenterephthalat (PET). De målte derefter filmens EMI-afskærmningseffektivitet (SE) i X-bånds frekvensområdet, mellem 8,2 og 12,4 GHz. De fandt en EMI SE på mere end 14,92 dB for en film på cirka 77 nm tyk. Denne værdi stiger til mere end 20 dB (den mindste værdi, der kræves til kommercielle applikationer) i hele X-båndet, når de stablede flere film sammen. Faktisk har en film, der indeholder fem stykker stablede grafitfilm (omkring 385 nm tyk i alt) en EMI SE på omkring 28 dB, hvilket betyder, at materialet kan blokere 99,84 % af den indfaldende stråling. Samlet set målte holdet en EMI-afskærmning på 481.000 dB/cm2/g på tværs af X-båndet, hvilket overgik alle tidligere rapporterede syntetiske materialer.

Forskerne siger, at efter deres bedste viden er deres grafitfilm den tyndeste blandt rapporterede afskærmningsmaterialer med en EMI-afskærmningsydelse, der kan opfylde kravet til kommercielle anvendelser. Dens mekaniske egenskaber er også gunstige. Materialets brudstyrke på omkring 110 MPa (ekstraheret fra spændings-belastningskurver af materialet placeret på en polycarbonatunderstøtning) er højere end for grafitfilm dyrket ved de andre metoder. Filmen er også fleksibel og kan bøjes 1000 gange med en bøjningsradius på 5 mm uden at miste dens EMI-afskærmningsegenskaber. Den er også termisk stabil op til 550 °C. Holdet mener, at disse og andre egenskaber betyder, at det kan bruges som et ultratyndt, let, fleksibelt og effektivt EMI-afskærmningsmateriale til applikationer inden for mange områder, herunder rumfart samt elektronik og optoelektronik.

Læs de mest betydningsfulde og spændende fremskridt inden for materialevidenskab i dette nye open access-tidsskrift.

Physics World repræsenterer en central del af IOP Publishings mission om at formidle forskning og innovation i verdensklasse til det bredest mulige publikum. Hjemmesiden er en del af Physics World-porteføljen, en samling af online, digitale og trykte informationstjenester til det globale videnskabelige samfund.


Indlægstid: maj-07-2020
WhatsApp online chat!