Σας ευχαριστούμε που εγγραφήκατε στο Physics World Εάν θέλετε να αλλάξετε τα στοιχεία σας ανά πάσα στιγμή, επισκεφτείτε τον λογαριασμό μου
Τα φιλμ γραφίτη μπορούν να προστατεύσουν τις ηλεκτρονικές συσκευές από την ηλεκτρομαγνητική (EM) ακτινοβολία, αλλά οι τρέχουσες τεχνικές για την κατασκευή τους χρειάζονται αρκετές ώρες και απαιτούν θερμοκρασίες επεξεργασίας περίπου 3000 °C. Μια ομάδα ερευνητών από το Εθνικό Εργαστήριο Επιστήμης Υλικών Shenyang στην Κινεζική Ακαδημία Επιστημών έχει πλέον επιδείξει έναν εναλλακτικό τρόπο δημιουργίας μεμβρανών γραφίτη υψηλής ποιότητας σε λίγα δευτερόλεπτα, σβήνοντας ζεστές λωρίδες φύλλου νικελίου σε αιθανόλη. Ο ρυθμός ανάπτυξης για αυτές τις μεμβράνες είναι περισσότερο από δύο τάξεις μεγέθους υψηλότερος από ό,τι στις υπάρχουσες μεθόδους και η ηλεκτρική αγωγιμότητα και η μηχανική αντοχή των μεμβρανών είναι ίδια με εκείνες των μεμβρανών που κατασκευάζονται με χρήση χημικής εναπόθεσης ατμών (CVD).
Όλες οι ηλεκτρονικές συσκευές παράγουν κάποια ακτινοβολία ΗΜ. Καθώς οι συσκευές γίνονται όλο και μικρότερες και λειτουργούν σε όλο και υψηλότερες συχνότητες, η πιθανότητα ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών (EMI) αυξάνεται και μπορεί να επηρεάσει αρνητικά την απόδοση της συσκευής καθώς και την απόδοση των κοντινών ηλεκτρονικών συστημάτων.
Ο γραφίτης, ένα αλλοτρόπιο άνθρακα κατασκευασμένο από στρώματα γραφενίου που συγκρατούνται μεταξύ τους από τις δυνάμεις του van der Waals, έχει μια σειρά από αξιοσημείωτες ηλεκτρικές, θερμικές και μηχανικές ιδιότητες που τον καθιστούν αποτελεσματική ασπίδα έναντι του EMI. Ωστόσο, πρέπει να έχει τη μορφή πολύ λεπτής μεμβράνης για να έχει υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα, κάτι που είναι σημαντικό για πρακτικές εφαρμογές EMI, επειδή σημαίνει ότι το υλικό μπορεί να ανακλά και να απορροφά τα κύματα ΗΜ καθώς αλληλεπιδρούν με τους φορείς φορτίου στο εσωτερικό. το.
Επί του παρόντος, οι κύριοι τρόποι κατασκευής μεμβράνης γραφίτη περιλαμβάνουν είτε πυρόλυση αρωματικών πολυμερών σε υψηλή θερμοκρασία είτε στοίβαξη οξειδίου γραφενίου (GO) ή νανοφύλλων γραφενίου στρώμα προς στρώμα. Και οι δύο διαδικασίες απαιτούν υψηλές θερμοκρασίες περίπου 3000 °C και χρόνους επεξεργασίας μία ώρα. Στο CVD, οι απαιτούμενες θερμοκρασίες είναι χαμηλότερες (μεταξύ 700 και 1300 °C), αλλά χρειάζονται μερικές ώρες για να δημιουργηθούν φιλμ πάχους νανομέτρων, ακόμη και στο κενό.
Μια ομάδα με επικεφαλής τον Wencai Ren έχει πλέον παράγει υψηλής ποιότητας φιλμ γραφίτη πάχους δεκάδων νανόμετρων μέσα σε λίγα δευτερόλεπτα θερμαίνοντας φύλλο νικελίου στους 1200 °C σε ατμόσφαιρα αργού και στη συνέχεια βυθίζοντας γρήγορα αυτό το φύλλο σε αιθανόλη στους 0 °C. Τα άτομα άνθρακα που παράγονται από την αποσύνθεση της αιθανόλης διαχέονται και διαλύονται στο νικέλιο χάρη στην υψηλή διαλυτότητα του μετάλλου σε άνθρακα (0,4 wt% στους 1200 °C). Επειδή αυτή η διαλυτότητα του άνθρακα μειώνεται πολύ σε χαμηλή θερμοκρασία, τα άτομα άνθρακα στη συνέχεια διαχωρίζονται και καθιζάνουν από την επιφάνεια του νικελίου κατά τη διάρκεια της απόσβεσης, παράγοντας ένα παχύ φιλμ γραφίτη. Οι ερευνητές αναφέρουν ότι η εξαιρετική καταλυτική δραστηριότητα του νικελίου βοηθά επίσης στο σχηματισμό γραφίτη υψηλής κρυσταλλικής μορφής.
Χρησιμοποιώντας ένα συνδυασμό μικροσκοπίας μετάδοσης υψηλής ανάλυσης, περίθλασης ακτίνων Χ και φασματοσκοπίας Raman, ο Ren και οι συνεργάτες του βρήκαν ότι ο γραφίτης που παρήγαγαν ήταν εξαιρετικά κρυσταλλικός σε μεγάλες περιοχές, καλά στρωμένος και δεν περιείχε ορατά ελαττώματα. Η αγωγιμότητα ηλεκτρονίων του φιλμ ήταν τόσο υψηλή όσο 2,6 x 105 S/m, παρόμοια με φιλμ που αναπτύσσονται με τεχνικές CVD ή υψηλής θερμοκρασίας και συμπίεση φιλμ GO/γραφενίου.
Για να ελέγξει πόσο καλά το υλικό θα μπορούσε να εμποδίσει την ακτινοβολία ΗΜ, η ομάδα μετέφερε φιλμ με επιφάνεια 600 mm2 σε υποστρώματα από τερεφθαλικό πολυαιθυλένιο (PET). Στη συνέχεια μέτρησαν την αποτελεσματικότητα θωράκισης EMI (SE) της ταινίας στο εύρος συχνοτήτων της ζώνης X, μεταξύ 8,2 και 12,4 GHz. Βρήκαν ένα EMI SE άνω των 14,92 dB για ένα φιλμ πάχους περίπου 77 nm. Αυτή η τιμή αυξάνεται σε περισσότερο από 20 dB (η ελάχιστη τιμή που απαιτείται για εμπορικές εφαρμογές) σε ολόκληρη τη ζώνη X όταν στοίβαξαν περισσότερα φιλμ μαζί. Πράγματι, ένα φιλμ που περιέχει πέντε κομμάτια στοιβαγμένων μεμβρανών γραφίτη (πάχους περίπου 385 nm συνολικά) έχει EMI SE περίπου 28 dB, πράγμα που σημαίνει ότι το υλικό μπορεί να εμποδίσει το 99,84% της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Συνολικά, η ομάδα μέτρησε μια θωράκιση EMI 481.000 dB/cm2/g σε όλη τη ζώνη X, υπερτερώντας όλων των συνθετικών υλικών που αναφέρθηκαν προηγουμένως.
Οι ερευνητές λένε ότι από όσο γνωρίζουν, το φιλμ γραφίτη τους είναι το λεπτότερο μεταξύ των αναφερόμενων υλικών θωράκισης, με απόδοση θωράκισης EMI που μπορεί να ικανοποιήσει τις απαιτήσεις για εμπορικές εφαρμογές. Οι μηχανικές του ιδιότητες είναι επίσης ευνοϊκές. Η αντοχή σε θραύση του υλικού περίπου 110 MPa (εξάγεται από καμπύλες τάσης-παραμόρφωσης του υλικού που τοποθετείται σε πολυανθρακικό στήριγμα) είναι υψηλότερη από εκείνη των μεμβρανών γραφίτη που αναπτύσσονται με άλλες μεθόδους. Το φιλμ είναι επίσης εύκαμπτο και μπορεί να λυγιστεί 1000 φορές με ακτίνα κάμψης 5 mm χωρίς να χάσει τις ιδιότητες θωράκισης EMI. Είναι επίσης θερμικά σταθερό μέχρι τους 550 °C. Η ομάδα πιστεύει ότι αυτές και άλλες ιδιότητες σημαίνουν ότι θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως ένα εξαιρετικά λεπτό, ελαφρύ, εύκαμπτο και αποτελεσματικό υλικό θωράκισης EMI για εφαρμογές σε πολλούς τομείς, συμπεριλαμβανομένης της αεροδιαστημικής, καθώς και των ηλεκτρονικών και της οπτοηλεκτρονικής.
Διαβάστε τις πιο σημαντικές και συναρπαστικές εξελίξεις στην επιστήμη των υλικών σε αυτό το νέο περιοδικό ανοιχτής πρόσβασης.
Το Physics World αντιπροσωπεύει ένα βασικό μέρος της αποστολής της IOP Publishing να επικοινωνεί την έρευνα και την καινοτομία παγκόσμιας κλάσης στο ευρύτερο δυνατό κοινό. Ο ιστότοπος αποτελεί μέρος του χαρτοφυλακίου Physics World, μιας συλλογής διαδικτυακών, ψηφιακών και έντυπων υπηρεσιών πληροφόρησης για την παγκόσμια επιστημονική κοινότητα.
Ώρα δημοσίευσης: Μάιος-07-2020