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Les films de graphite peuvent protéger les dispositifs électroniques des rayonnements électromagnétiques (EM), mais les techniques actuelles de fabrication nécessitent plusieurs heures et des températures de traitement d'environ 3 000 °C. Une équipe de chercheurs du Laboratoire national de Shenyang pour la science des matériaux, rattaché à l'Académie chinoise des sciences, a mis au point une méthode alternative permettant de fabriquer des films de graphite de haute qualité en quelques secondes seulement, par trempe de bandes de nickel chauffées dans de l'éthanol. La vitesse de croissance de ces films est plus de cent fois supérieure à celle des méthodes existantes, et leur conductivité électrique et leur résistance mécanique sont comparables à celles des films obtenus par dépôt chimique en phase vapeur (CVD).
Tous les appareils électroniques produisent des rayonnements électromagnétiques. À mesure que ces appareils deviennent plus petits et fonctionnent à des fréquences toujours plus élevées, le risque d'interférences électromagnétiques (IEM) augmente et peut nuire à leurs performances ainsi qu'à celles des systèmes électroniques situés à proximité.
Le graphite, un allotrope du carbone constitué de couches de graphène liées par des forces de van der Waals, possède des propriétés électriques, thermiques et mécaniques remarquables qui en font un blindage efficace contre les interférences électromagnétiques (IEM). Cependant, pour présenter une conductivité électrique élevée, il doit se présenter sous forme de film très mince. Cette conductivité est essentielle pour les applications pratiques en matière d'IEM, car elle permet au matériau de réfléchir et d'absorber les ondes électromagnétiques lors de leur interaction avec les porteurs de charge internes.
Actuellement, les principales méthodes de fabrication de films de graphite consistent soit en la pyrolyse à haute température de polymères aromatiques, soit en l'empilement de couches successives d'oxyde de graphène (GO) ou de nanofeuilles de graphène. Ces deux procédés requièrent des températures élevées, de l'ordre de 3 000 °C, et une durée de traitement d'une heure. En dépôt chimique en phase vapeur (CVD), les températures requises sont plus basses (entre 700 et 1 300 °C), mais la fabrication de films d'épaisseur nanométrique prend quelques heures, même sous vide.
Une équipe dirigée par Wencai Ren a réussi à produire en quelques secondes un film de graphite de haute qualité, d'une épaisseur de plusieurs dizaines de nanomètres. Le procédé consiste à chauffer une feuille de nickel à 1200 °C sous atmosphère d'argon, puis à l'immerger rapidement dans de l'éthanol à 0 °C. Grâce à la forte solubilité du carbone dans le nickel (0,4 % en poids à 1200 °C), les atomes de carbone issus de la décomposition de l'éthanol diffusent et se dissolvent dans le métal. Cette solubilité diminuant fortement à basse température, les atomes de carbone se ségrègent et précipitent de la surface du nickel lors du refroidissement rapide, formant ainsi un film de graphite épais. Les chercheurs indiquent que l'excellente activité catalytique du nickel favorise également la formation d'un graphite hautement cristallin.
En combinant la microscopie à transmission à haute résolution, la diffraction des rayons X et la spectroscopie Raman, Ren et ses collègues ont constaté que le graphite produit était hautement cristallin sur de grandes surfaces, bien stratifié et exempt de défauts visibles. La conductivité électronique du film atteignait 2,6 × 10⁵ S/m, une valeur comparable à celle des films obtenus par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) ou par des techniques à haute température, ainsi que par pressage de films de graphène oxydé (GO).
Pour évaluer l'efficacité du matériau à bloquer les rayonnements électromagnétiques, l'équipe a déposé des films d'une surface de 600 mm² sur des substrats en polyéthylène téréphtalate (PET). Elle a ensuite mesuré l'efficacité de blindage électromagnétique (SE) du film dans la bande X, entre 8,2 et 12,4 GHz. Elle a ainsi obtenu une SE supérieure à 14,92 dB pour un film d'environ 77 nm d'épaisseur. Cette valeur dépasse 20 dB (la valeur minimale requise pour les applications commerciales) sur toute la bande X lorsque plusieurs films sont superposés. En effet, un film composé de cinq couches de graphite superposées (d'une épaisseur totale d'environ 385 nm) présente une SE d'environ 28 dB, ce qui signifie que le matériau bloque 99,84 % du rayonnement incident. Au total, l'équipe a mesuré un blindage électromagnétique de 481 000 dB/cm²/g sur toute la bande X, surpassant tous les matériaux synthétiques précédemment décrits.
Les chercheurs affirment qu'à leur connaissance, leur film de graphite est le plus fin parmi les matériaux de blindage connus, avec des performances de blindage électromagnétique (EMI) répondant aux exigences des applications commerciales. Ses propriétés mécaniques sont également avantageuses. Sa résistance à la rupture d'environ 110 MPa (déterminée à partir des courbes contrainte-déformation du matériau placé sur un support en polycarbonate) est supérieure à celle des films de graphite obtenus par d'autres méthodes. Ce film est également flexible et peut être plié 1 000 fois avec un rayon de courbure de 5 mm sans altérer ses propriétés de blindage EMI. Il est par ailleurs stable thermiquement jusqu'à 550 °C. L'équipe estime que ces propriétés, parmi d'autres, en font un matériau de blindage EMI ultra-mince, léger, flexible et performant pour de nombreuses applications, notamment dans les secteurs de l'aérospatiale, de l'électronique et de l'optoélectronique.
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Date de publication : 7 mai 2020