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Las películas de grafito pueden proteger los dispositivos electrónicos de la radiación electromagnética (EM), pero las técnicas actuales para fabricarlas tardan varias horas y requieren temperaturas de procesamiento de alrededor de 3.000 °C. Un equipo de investigadores del Laboratorio Nacional de Ciencia de Materiales de Shenyang de la Academia de Ciencias de China ha demostrado ahora una forma alternativa de fabricar películas de grafito de alta calidad en tan solo unos segundos enfriando tiras calientes de láminas de níquel en etanol. La tasa de crecimiento de estas películas es más de dos órdenes de magnitud mayor que la de los métodos existentes, y la conductividad eléctrica y la resistencia mecánica de las películas están a la par con las de las películas fabricadas mediante deposición química de vapor (CVD).
Todos los dispositivos electrónicos producen algo de radiación EM. A medida que los dispositivos se vuelven cada vez más pequeños y funcionan a frecuencias cada vez más altas, el potencial de interferencia electromagnética (EMI) crece y puede afectar negativamente el rendimiento del dispositivo, así como el de los sistemas electrónicos cercanos.
El grafito, un alótropo de carbono formado a partir de capas de grafeno unidas por fuerzas de van der Waals, tiene una serie de propiedades eléctricas, térmicas y mecánicas notables que lo convierten en un escudo eficaz contra las EMI. Sin embargo, debe tener la forma de una película muy delgada para que tenga una alta conductividad eléctrica, lo cual es importante para aplicaciones prácticas de EMI porque significa que el material puede reflejar y absorber ondas EM cuando interactúan con los portadores de carga en su interior. él.
En la actualidad, las principales formas de fabricar películas de grafito implican la pirólisis a alta temperatura de polímeros aromáticos o el apilamiento de óxido de grafeno (GO) o nanohojas de grafeno capa por capa. Ambos procesos requieren altas temperaturas de alrededor de 3.000 °C y tiempos de procesamiento de una hora. En CVD, las temperaturas requeridas son más bajas (entre 700 y 1300 °C), pero se necesitan algunas horas para producir películas de espesor nanométrico, incluso en el vacío.
Un equipo dirigido por Wencai Ren ha producido una película de grafito de alta calidad de decenas de nanómetros de espesor en unos pocos segundos calentando una lámina de níquel a 1200 °C en una atmósfera de argón y luego sumergiendo rápidamente esta lámina en etanol a 0 °C. Los átomos de carbono producidos por la descomposición del etanol se difunden y se disuelven en el níquel gracias a la alta solubilidad del carbono del metal (0,4% en peso a 1200 °C). Debido a que esta solubilidad del carbono disminuye considerablemente a baja temperatura, los átomos de carbono posteriormente se segregan y precipitan de la superficie del níquel durante el enfriamiento, produciendo una película gruesa de grafito. Los investigadores informan que la excelente actividad catalítica del níquel también ayuda a la formación de grafito altamente cristalino.
Utilizando una combinación de microscopía de transmisión de alta resolución, difracción de rayos X y espectroscopia Raman, Ren y sus colegas descubrieron que el grafito que produjeron era altamente cristalino en grandes áreas, bien estratificado y no contenía defectos visibles. La conductividad electrónica de la película llegó a 2,6 x 105 S/m, similar a las películas cultivadas mediante CVD o técnicas de alta temperatura y prensado de películas GO/grafeno.
Para comprobar hasta qué punto el material podía bloquear la radiación EM, el equipo transfirió películas con una superficie de 600 mm2 sobre sustratos hechos de tereftalato de polietileno (PET). Luego midieron la efectividad del blindaje EMI (SE) de la película en el rango de frecuencia de la banda X, entre 8,2 y 12,4 GHz. Encontraron una EMI SE de más de 14,92 dB para una película de aproximadamente 77 nm de espesor. Este valor aumenta a más de 20 dB (el valor mínimo requerido para aplicaciones comerciales) en toda la banda X cuando apilan más películas juntas. De hecho, una película que contiene cinco piezas de películas de grafito apiladas (de unos 385 nm de espesor en total) tiene un EMI SE de alrededor de 28 dB, lo que significa que el material puede bloquear el 99,84% de la radiación incidente. En general, el equipo midió un blindaje EMI de 481.000 dB/cm2/g en toda la banda X, superando a todos los materiales sintéticos informados anteriormente.
Los investigadores dicen que, hasta donde saben, su película de grafito es la más delgada entre los materiales de protección reportados, con un rendimiento de protección EMI que puede satisfacer los requisitos para aplicaciones comerciales. Sus propiedades mecánicas también son favorables. La resistencia a la fractura del material de aproximadamente 110 MPa (extraída de las curvas tensión-deformación del material colocado sobre un soporte de policarbonato) es mayor que la de las películas de grafito cultivadas con otros métodos. La película también es flexible y se puede doblar 1000 veces con un radio de curvatura de 5 mm sin perder sus propiedades de protección EMI. También es térmicamente estable hasta 550 °C. El equipo cree que estas y otras propiedades significan que podría usarse como un material de blindaje EMI ultrafino, liviano, flexible y efectivo para aplicaciones en muchas áreas, incluida la aeroespacial, así como la electrónica y la optoelectrónica.
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Hora de publicación: 07-may-2020