فیلم گرافیتی که به سرعت رشد می کند تابش الکترومغناطیسی را مسدود می کند

برای ثبت نام در Physics World از شما سپاسگزاریم

فیلم‌های گرافیت می‌توانند از دستگاه‌های الکترونیکی در برابر تشعشعات الکترومغناطیسی (EM) محافظت کنند، اما تکنیک‌های فعلی برای ساخت آن‌ها چندین ساعت طول می‌کشد و به دمای پردازش حدود 3000 درجه سانتی‌گراد نیاز دارد. تیمی از محققان از آزمایشگاه ملی علوم مواد شن یانگ در آکادمی علوم چین اکنون روشی جایگزین برای ساخت فیلم‌های گرافیتی با کیفیت بالا در تنها چند ثانیه با خاموش کردن نوارهای داغ از فویل نیکل در اتانول نشان داده‌اند. نرخ رشد این فیلم‌ها بیش از دو مرتبه بزرگتر از روش‌های موجود است و رسانایی الکتریکی و استحکام مکانیکی فیلم‌ها با فیلم‌هایی که با استفاده از رسوب‌دهی بخار شیمیایی (CVD) ساخته شده‌اند برابری می‌کند.

همه دستگاه های الکترونیکی مقداری تشعشع EM تولید می کنند. با کوچک‌تر شدن دستگاه‌ها و عملکرد در فرکانس‌های بالاتر و بالاتر، پتانسیل تداخل الکترومغناطیسی (EMI) افزایش می‌یابد و می‌تواند بر عملکرد دستگاه و همچنین سیستم‌های الکترونیکی مجاور تأثیر منفی بگذارد.

گرافیت، آلوتروپ کربن ساخته شده از لایه‌های گرافن که توسط نیروهای واندروالس به هم متصل شده‌اند، دارای تعدادی خواص الکتریکی، حرارتی و مکانیکی قابل‌توجه است که آن را به یک سپر موثر در برابر EMI تبدیل می‌کند. با این حال، باید به شکل یک فیلم بسیار نازک باشد تا رسانایی الکتریکی بالایی داشته باشد، که برای کاربردهای عملی EMI مهم است، زیرا به این معنی است که مواد می توانند امواج EM را منعکس و جذب کنند تا با حامل های بار داخل برهم کنش داشته باشند. آن را

در حال حاضر، راه‌های اصلی ساخت فیلم گرافیتی شامل تجزیه در اثر حرارت بالا پلیمرهای معطر یا انباشتن اکسید گرافن (GO) یا نانوصفحات گرافن لایه به لایه است. هر دو فرآیند به دمای بالای حدود 3000 درجه سانتیگراد و زمان پردازش یک ساعت نیاز دارند. در CVD، دماهای مورد نیاز کمتر است (بین 700 تا 1300 درجه سانتیگراد)، اما چند ساعت طول می کشد تا فیلم هایی با ضخامت نانومتر حتی در خلاء ساخته شوند.

تیمی به رهبری Wencai Ren اکنون با گرم کردن فویل نیکل تا دمای 1200 درجه سانتیگراد در اتمسفر آرگون و سپس غوطه ور کردن سریع این فویل در اتانول در دمای 0 درجه سانتیگراد، فیلم گرافیتی با ضخامت ده ها نانومتر را در عرض چند ثانیه تولید کرده اند. اتم های کربن تولید شده از تجزیه اتانول به لطف حلالیت کربن بالای این فلز (0.4 درصد وزنی در 1200 درجه سانتی گراد) پخش و در نیکل حل می شوند. از آنجایی که این حلالیت کربن در دمای پایین بسیار کاهش می‌یابد، اتم‌های کربن متعاقباً در حین خاموش کردن از سطح نیکل جدا شده و رسوب می‌کنند و یک لایه گرافیت ضخیم تولید می‌کنند. محققان گزارش می دهند که فعالیت کاتالیزوری عالی نیکل به تشکیل گرافیت بسیار کریستالی نیز کمک می کند.

رن و همکارانش با استفاده از ترکیبی از میکروسکوپ انتقال با وضوح بالا، پراش پرتو ایکس و طیف‌سنجی رامان دریافتند که گرافیت تولید شده در مناطق بزرگ بسیار کریستالی است، به خوبی لایه‌بندی شده و هیچ نقص قابل مشاهده‌ای ندارد. رسانایی الکترونی فیلم به اندازه 2.6 x 105 S/m بالا بود، شبیه به فیلم‌هایی که توسط CVD یا تکنیک‌های دمای بالا و فشار دادن لایه‌های GO/graphene رشد می‌کنند.

برای آزمایش اینکه این ماده چقدر می تواند تابش EM را مسدود کند، تیم فیلم هایی با مساحت 600 میلی متر مربع را روی بسترهای ساخته شده از پلی اتیلن ترفتالات (PET) منتقل کردند. آنها سپس اثربخشی محافظ EMI فیلم (SE) را در محدوده فرکانس باند X، بین 8.2 تا 12.4 گیگاهرتز اندازه‌گیری کردند. آنها یک EMI SE بیش از 14.92 دسی بل برای فیلمی با ضخامت تقریباً 77 نانومتر پیدا کردند. این مقدار زمانی که فیلم‌های بیشتری را روی هم قرار می‌دهند، به بیش از 20 دسی‌بل (حداقل مقدار مورد نیاز برای کاربردهای تجاری) در کل باند X افزایش می‌یابد. در واقع، یک فیلم حاوی پنج تکه لایه‌های گرافیتی روی هم (در مجموع با ضخامت حدود 385 نانومتر) دارای EMI SE حدود 28 دسی‌بل است که به این معنی است که این ماده می‌تواند 99.84 درصد از تشعشعات فرودی را مسدود کند. به طور کلی، تیم محافظ EMI 481000 dB/cm2/g را در سراسر باند X اندازه‌گیری کرد که عملکرد بهتری از تمام مواد مصنوعی گزارش‌شده قبلی داشت.

محققان می گویند که تا آنجایی که می دانند، لایه گرافیتی آنها نازک ترین در میان مواد محافظ گزارش شده است، با عملکرد محافظ EMI که می تواند نیاز برای کاربردهای تجاری را برآورده کند. خواص مکانیکی آن نیز مطلوب است. استحکام شکست این ماده تقریباً 110 مگاپاسکال (که از منحنی‌های تنش-کرنش مواد قرار گرفته بر روی یک تکیه گاه پلی کربنات استخراج می‌شود) بالاتر از فیلم‌های گرافیتی است که با روش‌های دیگر رشد می‌کنند. این فیلم نیز انعطاف پذیر است و می تواند 1000 بار با شعاع خمشی 5 میلی متر خم شود بدون اینکه خاصیت محافظ EMI خود را از دست بدهد. همچنین از نظر حرارتی تا 550 درجه سانتیگراد پایدار است. این تیم بر این باور است که این ویژگی‌ها و دیگر ویژگی‌ها به این معناست که می‌توان از آن به عنوان یک ماده محافظ EMI بسیار نازک، سبک، انعطاف‌پذیر و موثر برای کاربردها در بسیاری از زمینه‌ها، از جمله هوافضا، الکترونیک و اپتوالکترونیک استفاده کرد.

مهم ترین و هیجان انگیزترین پیشرفت ها در علم مواد را در این مجله جدید دسترسی آزاد بخوانید.

Physics World بخشی کلیدی از مأموریت IOP Publishing برای انتقال تحقیقات و نوآوری در سطح جهانی به گسترده ترین مخاطبان ممکن است. این وب سایت بخشی از پورتفولیوی Physics World است که مجموعه ای از خدمات اطلاعات آنلاین، دیجیتال و چاپی برای جامعه علمی جهانی است.