Vielen Dank für Ihre Registrierung bei Physics World. Wenn Sie Ihre Daten ändern möchten, besuchen Sie bitte jederzeit Ihr Konto.
Graphitschichten können elektronische Geräte vor elektromagnetischer Strahlung abschirmen, doch die gängigen Herstellungsverfahren benötigen mehrere Stunden und Verarbeitungstemperaturen von rund 3000 °C. Ein Forscherteam des Shenyang National Laboratory for Materials Science der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat nun eine alternative Methode zur Herstellung hochwertiger Graphitschichten in nur wenigen Sekunden entwickelt. Dabei werden heiße Nickelfolienstreifen in Ethanol abgeschreckt. Die Wachstumsrate dieser Schichten ist mehr als zwei Größenordnungen höher als bei bestehenden Verfahren, und ihre elektrische Leitfähigkeit und mechanische Festigkeit entsprechen denen von Schichten, die mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) hergestellt werden.
Alle elektronischen Geräte erzeugen elektromagnetische Strahlung. Da die Geräte immer kleiner werden und mit immer höheren Frequenzen arbeiten, steigt das Potenzial für elektromagnetische Störungen (EMI) und kann die Leistung des Geräts sowie benachbarter elektronischer Systeme beeinträchtigen.
Graphit, eine Modifikation des Kohlenstoffs, die aus durch Van-der-Waals-Kräfte zusammengehaltenen Graphenschichten besteht, besitzt bemerkenswerte elektrische, thermische und mechanische Eigenschaften, die es zu einem wirksamen Schutz gegen elektromagnetische Störungen machen. Allerdings muss es in Form eines sehr dünnen Films vorliegen, um eine hohe elektrische Leitfähigkeit zu erreichen. Diese ist für praktische Anwendungen im Bereich der elektromagnetischen Störungen wichtig, da das Material dadurch elektromagnetische Wellen reflektieren und absorbieren kann, indem es mit den Ladungsträgern im Inneren interagiert.
Die gängigen Verfahren zur Herstellung von Graphitfilmen basieren derzeit entweder auf der Hochtemperaturpyrolyse aromatischer Polymere oder auf dem schichtweisen Aufbringen von Graphenoxid (GO) oder Graphen-Nanoblättern. Beide Prozesse erfordern hohe Temperaturen von etwa 3000 °C und Verarbeitungszeiten von einer Stunde. Bei der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) sind die benötigten Temperaturen niedriger (zwischen 700 und 1300 °C), jedoch dauert die Herstellung nanometerdünner Filme selbst im Vakuum mehrere Stunden.
Ein Team um Wencai Ren hat nun innerhalb weniger Sekunden einen hochwertigen Graphitfilm mit einer Dicke von mehreren zehn Nanometern hergestellt. Dazu wurde Nickelfolie in einer Argonatmosphäre auf 1200 °C erhitzt und anschließend rasch in 0 °C kaltes Ethanol getaucht. Die bei der Zersetzung des Ethanols entstehenden Kohlenstoffatome diffundieren und lösen sich dank der hohen Kohlenstofflöslichkeit des Metalls (0,4 Gew.-% bei 1200 °C) im Nickel. Da diese Kohlenstofflöslichkeit bei niedrigen Temperaturen stark abnimmt, scheiden sich die Kohlenstoffatome beim Abschrecken von der Nickeloberfläche ab und bilden einen dicken Graphitfilm. Die Forscher berichten, dass die hervorragende katalytische Aktivität von Nickel die Bildung von hochkristallinem Graphit begünstigt.
Mithilfe einer Kombination aus hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie, Röntgenbeugung und Raman-Spektroskopie stellten Ren und Kollegen fest, dass das von ihnen hergestellte Graphit über große Flächen hochkristallin und gut geschichtet war und keine sichtbaren Defekte aufwies. Die elektrische Leitfähigkeit des Films erreichte Werte von bis zu 2,6 × 10⁵ S/m und war damit vergleichbar mit Filmen, die mittels CVD- oder Hochtemperaturverfahren sowie durch Pressen von GO/Graphen-Filmen hergestellt wurden.
Um die Schirmdämpfung des Materials gegen elektromagnetische Strahlung zu testen, übertrug das Team Folien mit einer Oberfläche von 600 mm² auf Substrate aus Polyethylenterephthalat (PET). Anschließend wurde die Schirmdämpfung (SE) der Folien im X-Band-Frequenzbereich zwischen 8,2 und 12,4 GHz gemessen. Für eine etwa 77 nm dicke Folie wurde eine Schirmdämpfung von über 14,92 dB ermittelt. Dieser Wert steigt im gesamten X-Band auf über 20 dB (den Mindestwert für kommerzielle Anwendungen), wenn mehrere Folien übereinander gestapelt werden. Eine Folie aus fünf übereinander gestapelten Graphitfolien (mit einer Gesamtdicke von ca. 385 nm) weist eine Schirmdämpfung von ca. 28 dB auf, was bedeutet, dass das Material 99,84 % der einfallenden Strahlung abschirmt. Insgesamt wurde eine Schirmdämpfung von 481.000 dB/cm²/g im gesamten X-Band gemessen, womit alle bisher beschriebenen synthetischen Materialien übertroffen werden.
Die Forscher geben an, dass ihr Graphitfilm nach ihrem Kenntnisstand der dünnste bisher beschriebene Abschirmungsfilm ist und eine EMI-Abschirmleistung aufweist, die den Anforderungen kommerzieller Anwendungen genügt. Auch seine mechanischen Eigenschaften sind vorteilhaft. Die Bruchfestigkeit des Materials von etwa 110 MPa (ermittelt aus Spannungs-Dehnungs-Kurven des auf einem Polycarbonatträger aufgebrachten Materials) ist höher als die von Graphitfilmen, die mit anderen Methoden hergestellt wurden. Der Film ist zudem flexibel und kann 1000 Mal mit einem Biegeradius von 5 mm gebogen werden, ohne seine EMI-Abschirmeigenschaften zu verlieren. Er ist außerdem bis 550 °C thermisch stabil. Das Team ist überzeugt, dass diese und weitere Eigenschaften ihn zu einem ultradünnen, leichten, flexiblen und effektiven EMI-Abschirmungsmaterial für Anwendungen in vielen Bereichen machen, darunter Luft- und Raumfahrt sowie Elektronik und Optoelektronik.
Lesen Sie in dieser neuen Open-Access-Zeitschrift über die wichtigsten und spannendsten Fortschritte in der Materialwissenschaft.
Physics World ist ein zentraler Bestandteil der Mission von IOP Publishing, erstklassige Forschung und Innovation einem möglichst breiten Publikum zugänglich zu machen. Die Website gehört zum Portfolio von Physics World, einer Sammlung von Online-, Digital- und Print-Informationsdiensten für die globale Wissenschaftsgemeinschaft.
Veröffentlichungsdatum: 07. Mai 2020