Արագ աճեցված գրաֆիտի թաղանթը արգելափակում է էլեկտրամագնիսական ճառագայթումը

Շնորհակալություն Physics World-ում գրանցվելու համար Եթե ցանկացած պահի ցանկանում եք փոխել ձեր տվյալները, այցելեք Իմ հաշիվը

Գրաֆիտային թաղանթները կարող են պաշտպանել էլեկտրոնային սարքերը էլեկտրամագնիսական (EM) ճառագայթումից, սակայն դրանց արտադրության ներկայիս տեխնիկան տևում է մի քանի ժամ և պահանջում է մշակման մոտ 3000 °C ջերմաստիճան: Չինաստանի Գիտությունների ակադեմիայի Շենյանգի Նյութերի գիտության ազգային լաբորատորիայի հետազոտողների խումբն այժմ ցուցադրել է բարձրորակ գրաֆիտային թաղանթներ պատրաստելու այլընտրանքային միջոց ընդամենը մի քանի վայրկյանում՝ նիկելային փայլաթիթեղի տաք շերտերը էթանոլում մարելով: Այս թաղանթների աճի տեմպերը ավելի քան երկու կարգի մեծությամբ ավելի են, քան գոյություն ունեցող մեթոդներում, և թաղանթների էլեկտրական հաղորդունակությունը և մեխանիկական ուժը համընկնում են քիմիական գոլորշիների նստեցման (CVD) օգտագործմամբ պատրաստված ֆիլմերի հետ:

Բոլոր էլեկտրոնային սարքերը արտադրում են որոշակի EM ճառագայթում: Քանի որ սարքերը գնալով փոքրանում են և աշխատում են ավելի ու ավելի բարձր հաճախականություններով, էլեկտրամագնիսական միջամտության (EMI) ներուժը մեծանում է և կարող է բացասաբար ազդել սարքի, ինչպես նաև մոտակա էլեկտրոնային համակարգերի աշխատանքի վրա:

Գրաֆիտը, որը ածխածնի ալոտրոպ է, որը կառուցված է գրաֆենի շերտերից, որոնք պահվում են վան դեր Վալսի ուժերի կողմից, ունի մի շարք ուշագրավ էլեկտրական, ջերմային և մեխանիկական հատկություններ, որոնք այն դարձնում են արդյունավետ պաշտպանություն EMI-ից: Այնուամենայնիվ, այն պետք է լինի շատ բարակ թաղանթի տեսքով, որպեսզի այն ունենա բարձր էլեկտրական հաղորդունակություն, ինչը կարևոր է գործնական EMI կիրառման համար, քանի որ դա նշանակում է, որ նյութը կարող է արտացոլել և կլանել EM ալիքները, երբ դրանք փոխազդում են ներսում լիցքի կրիչների հետ: այն.

Ներկայումս գրաֆիտային թաղանթ պատրաստելու հիմնական եղանակները ներառում են կա՛մ անուշաբույր պոլիմերների բարձր ջերմաստիճանի պիրոլիզը, կա՛մ գրաֆենի (GO) օքսիդի կամ գրաֆենի նանոթերթերի շերտ առ շերտ կուտակումը: Երկու գործընթացներն էլ պահանջում են մոտ 3000 °C բարձր ջերմաստիճան և մեկ ժամ մշակման ժամանակ: CVD-ում պահանջվող ջերմաստիճաններն ավելի ցածր են (700-ից մինչև 1300 °C), բայց նանոմետր հաստությամբ թաղանթներ պատրաստելու համար մի քանի ժամ է պահանջվում, նույնիսկ վակուումում:

Վենկայ Ռենի ղեկավարած թիմը մի քանի վայրկյանում արտադրել է բարձրորակ գրաֆիտային թաղանթ՝ տասնյակ նանոմետր հաստությամբ՝ տաքացնելով նիկելային փայլաթիթեղը մինչև 1200 °C արգոն մթնոլորտում և այնուհետև արագ ընկղմելով այս փայլաթիթեղը էթանոլի մեջ 0 °C ջերմաստիճանում: Էթանոլի տարրալուծումից առաջացած ածխածնի ատոմները ցրվում և լուծվում են նիկելի մեջ՝ շնորհիվ մետաղի ածխածնի բարձր լուծելիության (0,4 wt% 1200 °C-ում): Քանի որ այս ածխածնի լուծելիությունը զգալիորեն նվազում է ցածր ջերմաստիճանում, ածխածնի ատոմները հետագայում առանձնանում և նստում են նիկելի մակերեսից մարման ժամանակ՝ առաջացնելով հաստ գրաֆիտային թաղանթ: Հետազոտողները հայտնում են, որ նիկելի հիանալի կատալիտիկ ակտիվությունը նաև նպաստում է բարձր բյուրեղային գրաֆիտի ձևավորմանը:

Օգտագործելով բարձր լուծաչափի փոխանցման մանրադիտակի, ռենտգենյան դիֆրակցիայի և Ռամանի սպեկտրոսկոպիայի համադրությունը, Ռենը և գործընկերները պարզեցին, որ իրենց արտադրած գրաֆիտը մեծ տարածքներում շատ բյուրեղային է, լավ շերտավորված և տեսանելի թերություններ չի պարունակում: Թաղանթի էլեկտրոնային հաղորդունակությունը բարձր էր մինչև 2,6 x 105 S/m, որը նման էր CVD-ի կամ բարձր ջերմաստիճանի տեխնիկայի և GO/գրաֆենի թաղանթների սեղմման միջոցով աճեցված թաղանթներին:

Ստուգելու համար, թե նյութը որքանով կարող է արգելափակել ԷՄ ճառագայթումը, թիմը 600 մմ2 մակերեսով թաղանթներ է փոխանցել պոլիէթիլենային տերեֆտալատից (PET) պատրաստված ենթաշերտերի վրա: Այնուհետև նրանք չափեցին ֆիլմի EMI պաշտպանիչ արդյունավետությունը (SE) X-band հաճախականությունների տիրույթում՝ 8,2-ից 12,4 ԳՀց-ի միջև: Նրանք գտել են EMI SE ավելի քան 14,92 դԲ, մոտավորապես 77 նմ հաստությամբ ֆիլմի համար: Այս արժեքը մեծանում է ավելի քան 20 դԲ (առևտրային կիրառությունների համար պահանջվող նվազագույն արժեքը) ամբողջ X-ի տիրույթում, երբ նրանք ավելի շատ ֆիլմեր են հավաքում միասին: Իրոք, հինգ կտոր գրաֆիտային թաղանթներ պարունակող ֆիլմը (ընդհանուր առմամբ մոտ 385 նմ հաստությամբ) ունի EMI SE մոտ 28 դԲ, ինչը նշանակում է, որ նյութը կարող է արգելափակել պատահական ճառագայթման 99,84%-ը: Ընդհանուր առմամբ, թիմը չափել է EMI պաշտպանությունը 481,000 դԲ/սմ2/գ ամբողջ X-ի վրա՝ գերազանցելով նախկինում հաղորդված բոլոր սինթետիկ նյութերին:

Հետազոտողները ասում են, որ իրենց լավագույն գիտելիքների համաձայն՝ իրենց գրաֆիտային թաղանթը ամենաբարակն է հաղորդված պաշտպանիչ նյութերի մեջ՝ EMI պաշտպանիչ գործունակությամբ, որը կարող է բավարարել առևտրային կիրառման պահանջները: Դրա մեխանիկական հատկությունները նույնպես բարենպաստ են։ Նյութի կոտրվածքի ուժը մոտավորապես 110 ՄՊա է (արդյունահանված պոլիկարբոնատային հենարանի վրա դրված նյութի լարվածություն-լարված կորերից) ավելի բարձր է, քան մյուս մեթոդներով աճեցված գրաֆիտային թաղանթներինը: Թաղանթը նույնպես ճկուն է և կարող է 1000 անգամ թեքվել 5 մմ ճկման շառավղով` չկորցնելով իր EMI պաշտպանիչ հատկությունները: Այն նաև ջերմային կայուն է մինչև 550 °C: Թիմը կարծում է, որ այս և այլ հատկությունները նշանակում են, որ այն կարող է օգտագործվել որպես գերբարակ, թեթև, ճկուն և արդյունավետ EMI պաշտպանիչ նյութ՝ բազմաթիվ ոլորտներում կիրառման համար, ներառյալ օդատիեզերական, ինչպես նաև էլեկտրոնիկա և օպտոէլեկտրոնիկա:

Կարդացեք նյութերի գիտության ամենակարևոր և հետաքրքիր առաջընթացները այս նոր բաց հասանելիության ամսագրում:

Physics World-ը ներկայացնում է IOP Publishing-ի առաքելության առանցքային մասը՝ հնարավորինս լայն լսարանին հաղորդելու համաշխարհային մակարդակի հետազոտություններն ու նորարարությունները: Կայքը հանդիսանում է Physics World պորտֆոլիոյի մի մասը, որը համաշխարհային գիտական ​​հանրության համար առցանց, թվային և տպագիր տեղեկատվական ծառայությունների հավաքածու է: