Kiitos rekisteröitymisestäsi Physics Worldiin. Jos haluat muuttaa tietojasi milloin tahansa, käy Oma tili -sivulla
Grafiittikalvot voivat suojata elektronisia laitteita sähkömagneettiselta (EM) säteilyltä, mutta nykyiset valmistustekniikat vievät useita tunteja ja vaativat noin 3000 °C:n prosessointilämpötiloja. Kiinan tiedeakatemian Shenyangin kansallisen materiaalitieteen laboratorion tutkijaryhmä on nyt osoittanut vaihtoehtoisen tavan tehdä korkealaatuisia grafiittikalvoja muutamassa sekunnissa sammuttamalla kuumia nikkelikalvoliuskoja etanolissa. Näiden kalvojen kasvunopeus on yli kaksi suuruusluokkaa suurempi kuin nykyisissä menetelmissä, ja kalvojen sähkönjohtavuus ja mekaaninen lujuus ovat samat kuin kemiallisella höyrypinnoituksella (CVD) valmistettujen kalvojen.
Kaikki elektroniset laitteet tuottavat jonkin verran EM-säteilyä. Kun laitteet pienenevät jatkuvasti ja toimivat yhä korkeammilla taajuuksilla, sähkömagneettisten häiriöiden (EMI) mahdollisuus kasvaa ja voi vaikuttaa haitallisesti laitteen sekä lähellä olevien elektronisten järjestelmien suorituskykyyn.
Grafiitilla, hiilen allotrooppilla, joka on rakennettu van der Waalsin voimien yhdessä pitämistä grafeenikerroksista, ja sillä on useita merkittäviä sähköisiä, termisiä ja mekaanisia ominaisuuksia, jotka tekevät siitä tehokkaan suojan EMI:tä vastaan. Sen on kuitenkin oltava erittäin ohuen kalvon muodossa, jotta sillä olisi korkea sähkönjohtavuus, mikä on tärkeää käytännön EMI-sovelluksissa, koska se tarkoittaa, että materiaali voi heijastaa ja absorboida EM-aaltoja, kun ne ovat vuorovaikutuksessa sisällä olevien varauksenkuljettajien kanssa. se.
Tällä hetkellä tärkeimmät grafiittikalvon valmistustavat ovat joko aromaattisten polymeerien pyrolyysi korkeassa lämpötilassa tai grafeenioksidin (GO) tai grafeeninanolevyjen pinoaminen kerros kerrokselta. Molemmat prosessit vaativat korkeita noin 3000 °C lämpötiloja ja tunnin käsittelyaikoja. CVD:ssä vaaditut lämpötilat ovat alhaisemmat (700-1300 °C), mutta nanometrin paksuisten kalvojen tekemiseen kuluu muutama tunti jopa tyhjiössä.
Wencai Renin johtama tiimi on nyt valmistanut laadukkaan, kymmenien nanometrien paksuisen grafiittikalvon muutamassa sekunnissa kuumentamalla nikkelikalvon 1200 °C:seen argonilmakehässä ja upottamalla tämän kalvon sitten nopeasti etanoliin 0 °C:ssa. Etanolin hajoamisesta syntyvät hiiliatomit diffundoituvat ja liukenevat nikkeliksi metallin korkean hiililiukoisuuden ansiosta (0,4 painoprosenttia 1200 °C:ssa). Koska tämä hiilen liukoisuus pienenee suuresti alhaisessa lämpötilassa, hiiliatomit erottuvat ja saostuvat myöhemmin nikkelin pinnalta sammutuksen aikana, jolloin muodostuu paksu grafiittikalvo. Tutkijat raportoivat, että nikkelin erinomainen katalyyttinen aktiivisuus auttaa myös erittäin kiteisen grafiitin muodostumista.
Käyttämällä korkearesoluutioisia lähetysmikroskooppia, röntgendiffraktiota ja Raman-spektroskopiaa Ren ja kollegat havaitsivat, että heidän tuottamansa grafiitti oli erittäin kiteistä suurilla alueilla, hyvin kerroksittain eikä siinä ollut näkyviä vikoja. Kalvon elektroninjohtavuus oli jopa 2,6 x 105 S/m, samanlainen kuin kalvoilla, jotka on kasvatettu CVD- tai korkean lämpötilan tekniikoilla ja puristamalla GO/grafeenikalvoja.
Testaakseen, kuinka hyvin materiaali voi estää EM-säteilyn, ryhmä siirsi kalvoja, joiden pinta-ala oli 600 mm2 polyeteenitereftalaatista (PET) valmistetuille substraateille. Sitten he mittasivat elokuvan EMI-suojaustehokkuuden (SE) X-kaistan taajuusalueella 8,2-12,4 GHz. He havaitsivat noin 77 nm:n paksuisen kalvon EMI SE:n olevan yli 14,92 dB. Tämä arvo nousee yli 20 dB:iin (kaupallisiin sovelluksiin vaadittava vähimmäisarvo) koko X-kaistalla, kun ne pinoavat enemmän elokuvia yhteen. Itse asiassa kalvolla, joka sisältää viisi pinottua grafiittikalvoa (yhteensä noin 385 nm paksu), EMI SE on noin 28 dB, mikä tarkoittaa, että materiaali voi estää 99,84 % tulevasta säteilystä. Kaiken kaikkiaan tiimi mittasi EMI-suojauksen 481 000 dB/cm2/g X-kaistalla, mikä ylitti kaikki aiemmin raportoidut synteettiset materiaalit.
Tutkijat sanovat, että parhaan tietämyksensä mukaan heidän grafiittikalvonsa on ohuin raportoiduista suojamateriaaleista, ja sen EMI-suojauskyky voi täyttää kaupallisten sovellusten vaatimukset. Sen mekaaniset ominaisuudet ovat myös suotuisat. Materiaalin murtolujuus, noin 110 MPa (poistettu polykarbonaattialustalle asetetun materiaalin jännitys-venymäkäyristä) on suurempi kuin muilla menetelmillä kasvatettujen grafiittikalvojen. Kalvo on myös joustava, ja se voidaan taivuttaa 1000 kertaa 5 mm:n taivutussäteellä menettämättä EMI-suojausominaisuuksiaan. Se on myös lämpöstabiili 550 °C asti. Tiimi uskoo, että nämä ja muut ominaisuudet tarkoittavat, että sitä voitaisiin käyttää erittäin ohuena, kevyenä, joustavana ja tehokkaana EMI-suojamateriaalina sovelluksissa monilla aloilla, mukaan lukien ilmailu sekä elektroniikka ja optoelektroniikka.
Lue materiaalitieteen merkittävimmät ja jännittävimmät edistysaskeleet tästä uudesta avoimesta julkaisusta.
Physics World on keskeinen osa IOP Publishingin missiota viestiä maailmanluokan tutkimusta ja innovaatiota mahdollisimman laajalle yleisölle. Sivusto on osa Physics World -portfoliota, joka on kokoelma online-, digitaalisia ja painettuja tietopalveluita maailmanlaajuiselle tiedeyhteisölle.
Postitusaika: 07-07-2020