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Les films de graphite peuvent protéger les appareils électroniques des rayonnements électromagnétiques (EM), mais les techniques actuelles de fabrication prennent plusieurs heures et nécessitent des températures de traitement d'environ 3 000 °C. Une équipe de chercheurs du Laboratoire national de science des matériaux de Shenyang à l'Académie chinoise des sciences a démontré une autre façon de fabriquer des films de graphite de haute qualité en quelques secondes seulement en trempant des bandes chaudes de feuilles de nickel dans de l'éthanol. Le taux de croissance de ces films est plus de deux ordres de grandeur supérieur à celui des méthodes existantes, et la conductivité électrique et la résistance mécanique des films sont comparables à celles des films fabriqués par dépôt chimique en phase vapeur (CVD).
Tous les appareils électroniques produisent des rayonnements EM. À mesure que les appareils deviennent de plus en plus petits et fonctionnent à des fréquences de plus en plus élevées, le risque d'interférences électromagnétiques (EMI) augmente et peut nuire aux performances de l'appareil ainsi qu'à celles des systèmes électroniques à proximité.
Le graphite, un allotrope de carbone construit à partir de couches de graphène maintenues ensemble par les forces de Van der Waals, possède un certain nombre de propriétés électriques, thermiques et mécaniques remarquables qui en font un bouclier efficace contre les interférences électromagnétiques. Cependant, il doit se présenter sous la forme d'un film très fin pour avoir une conductivité électrique élevée, ce qui est important pour les applications pratiques EMI car cela signifie que le matériau peut réfléchir et absorber les ondes EM lorsqu'elles interagissent avec les porteurs de charge à l'intérieur. il.
À l’heure actuelle, les principales méthodes de fabrication d’un film de graphite impliquent soit la pyrolyse à haute température de polymères aromatiques, soit l’empilement couche par couche d’oxyde de graphène (GO) ou de nanofeuilles de graphène. Les deux procédés nécessitent des températures élevées d’environ 3 000 °C et des temps de traitement d’une heure. En CVD, les températures requises sont plus faibles (entre 700 et 1 300 °C), mais il faut quelques heures pour réaliser des films d'une épaisseur nanométrique, même sous vide.
Une équipe dirigée par Wencai Ren a produit en quelques secondes un film de graphite de haute qualité de plusieurs dizaines de nanomètres d'épaisseur en chauffant une feuille de nickel à 1 200 °C dans une atmosphère d'argon, puis en immergeant rapidement cette feuille dans de l'éthanol à 0 °C. Les atomes de carbone produits par la décomposition de l'éthanol diffusent et se dissolvent dans le nickel grâce à la haute solubilité du carbone du métal (0,4 % en poids à 1 200 °C). Parce que cette solubilité du carbone diminue considérablement à basse température, les atomes de carbone se séparent et précipitent ensuite de la surface du nickel pendant la trempe, produisant un épais film de graphite. Les chercheurs rapportent que l’excellente activité catalytique du nickel favorise également la formation de graphite hautement cristallin.
En combinant la microscopie à transmission haute résolution, la diffraction des rayons X et la spectroscopie Raman, Ren et ses collègues ont découvert que le graphite qu'ils produisaient était hautement cristallin sur de grandes surfaces, bien stratifié et ne contenait aucun défaut visible. La conductivité électronique du film atteignait 2,6 x 105 S/m, similaire à celle des films développés par CVD ou par techniques à haute température et par pressage de films GO/graphène.
Pour tester dans quelle mesure le matériau pouvait bloquer les rayonnements EM, l'équipe a transféré des films d'une superficie de 600 mm2 sur des substrats en polyéthylène téréphtalate (PET). Ils ont ensuite mesuré l'efficacité du blindage EMI (SE) du film dans la gamme de fréquences de la bande X, entre 8,2 et 12,4 GHz. Ils ont trouvé un EMI SE de plus de 14,92 dB pour un film d'environ 77 nm d'épaisseur. Cette valeur augmente jusqu'à plus de 20 dB (la valeur minimale requise pour les applications commerciales) dans toute la bande X lorsqu'ils empilent plusieurs films ensemble. En effet, un film contenant cinq morceaux de films de graphite empilés (environ 385 nm d'épaisseur au total) présente un EMI SE d'environ 28 dB, ce qui signifie que le matériau peut bloquer 99,84 % du rayonnement incident. Dans l’ensemble, l’équipe a mesuré un blindage EMI de 481 000 dB/cm2/g sur la bande X, surpassant tous les matériaux synthétiques précédemment rapportés.
Les chercheurs affirment qu'à leur connaissance, leur film de graphite est le plus fin parmi les matériaux de blindage signalés, avec des performances de blindage EMI qui peuvent satisfaire aux exigences des applications commerciales. Ses propriétés mécaniques sont également favorables. La résistance à la rupture du matériau, d'environ 110 MPa (extraite des courbes contrainte-déformation du matériau placé sur un support en polycarbonate), est supérieure à celle des films de graphite cultivés par les autres méthodes. Le film est également flexible et peut être plié 1 000 fois avec un rayon de courbure de 5 mm sans perdre ses propriétés de blindage EMI. Il est également thermiquement stable jusqu'à 550 °C. L'équipe estime que ces propriétés, ainsi que d'autres, signifient qu'il pourrait être utilisé comme matériau de protection EMI ultra-mince, léger, flexible et efficace pour des applications dans de nombreux domaines, notamment l'aérospatiale ainsi que l'électronique et l'optoélectronique.
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Heure de publication : 07 mai 2020