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Graphitfolien können elektronische Geräte vor elektromagnetischer (EM) Strahlung schützen, doch aktuelle Techniken zu ihrer Herstellung dauern mehrere Stunden und erfordern Verarbeitungstemperaturen von etwa 3000 °C. Ein Forscherteam des Shenyang National Laboratory for Materials Science an der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat nun eine alternative Möglichkeit zur Herstellung hochwertiger Graphitfilme in nur wenigen Sekunden demonstriert, indem heiße Nickelfolienstreifen in Ethanol abgeschreckt werden. Die Wachstumsrate dieser Filme ist um mehr als zwei Größenordnungen höher als bei bestehenden Methoden, und die elektrische Leitfähigkeit und mechanische Festigkeit der Filme sind mit denen von Filmen vergleichbar, die durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) hergestellt wurden.
Alle elektronischen Geräte erzeugen etwas EM-Strahlung. Da Geräte immer kleiner werden und mit immer höheren Frequenzen arbeiten, wächst das Potenzial für elektromagnetische Interferenzen (EMI), die sich negativ auf die Leistung des Geräts sowie der umliegenden elektronischen Systeme auswirken können.
Graphit, ein Kohlenstoffallotrop, das aus Graphenschichten besteht, die durch Van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten werden, verfügt über eine Reihe bemerkenswerter elektrischer, thermischer und mechanischer Eigenschaften, die es zu einem wirksamen Schutzschild gegen elektromagnetische Störungen machen. Allerdings muss es in Form eines sehr dünnen Films vorliegen, damit es eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist, was für praktische EMI-Anwendungen wichtig ist, da das Material EM-Wellen reflektieren und absorbieren kann, wenn sie mit den Ladungsträgern im Inneren interagieren Es.
Derzeit bestehen die Hauptmethoden zur Herstellung von Graphitfilmen entweder aus der Hochtemperaturpyrolyse aromatischer Polymere oder aus dem schichtweisen Aufschichten von Graphenoxid (GO) oder Graphen-Nanoblättern. Beide Prozesse erfordern hohe Temperaturen von etwa 3000 °C und Verarbeitungszeiten von einer Stunde. Beim CVD sind die erforderlichen Temperaturen niedriger (zwischen 700 und 1300 °C), aber selbst im Vakuum dauert die Herstellung nanometerdicker Filme einige Stunden.
Ein Team um Wencai Ren hat nun innerhalb weniger Sekunden hochwertige Graphitfilme mit einer Dicke von mehreren zehn Nanometern hergestellt, indem es eine Nickelfolie in einer Argonatmosphäre auf 1200 °C erhitzte und diese Folie dann schnell in 0 °C warmes Ethanol eintauchte. Die bei der Zersetzung von Ethanol entstehenden Kohlenstoffatome diffundieren und lösen sich dank der hohen Kohlenstofflöslichkeit des Metalls (0,4 Gew.-% bei 1200 °C) im Nickel auf. Da diese Kohlenstofflöslichkeit bei niedrigen Temperaturen stark abnimmt, entmischen sich die Kohlenstoffatome anschließend und fallen beim Abschrecken von der Nickeloberfläche ab, wodurch ein dicker Graphitfilm entsteht. Die Forscher berichten, dass die hervorragende katalytische Aktivität von Nickel auch die Bildung von hochkristallinem Graphit unterstützt.
Mithilfe einer Kombination aus hochauflösender Transmissionsmikroskopie, Röntgenbeugung und Raman-Spektroskopie stellten Ren und Kollegen fest, dass der von ihnen hergestellte Graphit über große Flächen hochkristallin, gut geschichtet und keine sichtbaren Defekte enthielt. Die Elektronenleitfähigkeit des Films betrug bis zu 2,6 x 105 S/m, ähnlich wie bei Filmen, die durch CVD- oder Hochtemperaturtechniken und Pressen von GO/Graphen-Filmen gewachsen wurden.
Um zu testen, wie gut das Material EM-Strahlung blockieren kann, übertrug das Team Folien mit einer Oberfläche von 600 mm2 auf Substrate aus Polyethylenterephthalat (PET). Anschließend maßen sie die EMI-Abschirmwirkung (SE) der Folie im X-Band-Frequenzbereich zwischen 8,2 und 12,4 GHz. Sie fanden einen EMI SE von mehr als 14,92 dB für einen Film mit einer Dicke von etwa 77 nm. Dieser Wert steigt im gesamten X-Band auf über 20 dB (der für kommerzielle Anwendungen erforderliche Mindestwert), wenn mehrere Filme übereinander gestapelt werden. Tatsächlich hat ein Film, der aus fünf Stücken gestapelter Graphitfilme besteht (insgesamt etwa 385 nm dick), eine EMI SE von etwa 28 dB, was bedeutet, dass das Material 99,84 % der einfallenden Strahlung blockieren kann. Insgesamt maß das Team eine EMI-Abschirmung von 481.000 dB/cm2/g im gesamten X-Band und übertraf damit alle bisher gemeldeten synthetischen Materialien.
Die Forscher sagen, dass ihr Graphitfilm nach ihrem besten Wissen der dünnste unter den gemeldeten Abschirmmaterialien ist und eine EMI-Abschirmleistung aufweist, die den Anforderungen für kommerzielle Anwendungen gerecht wird. Auch seine mechanischen Eigenschaften sind günstig. Die Bruchfestigkeit des Materials ist mit etwa 110 MPa (extrahiert aus Spannungs-Dehnungs-Kurven des auf einem Polycarbonatträger platzierten Materials) höher als die von Graphitfilmen, die mit anderen Methoden gezüchtet wurden. Die Folie ist zudem flexibel und kann 1000-mal mit einem Biegeradius von 5 mm gebogen werden, ohne dass sie ihre EMI-Abschirmeigenschaften verliert. Es ist außerdem thermisch stabil bis 550 °C. Das Team ist davon überzeugt, dass diese und andere Eigenschaften dazu führen, dass es als ultradünnes, leichtes, flexibles und wirksames EMI-Abschirmmaterial für Anwendungen in vielen Bereichen eingesetzt werden könnte, darunter auch in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Elektronik und Optoelektronik.
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Zeitpunkt der Veröffentlichung: 07.05.2020