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Le pellicole di grafite possono proteggere i dispositivi elettronici dalle radiazioni elettromagnetiche (EM), ma le attuali tecniche per produrle richiedono diverse ore e temperature di lavorazione di circa 3000 °C. Un team di ricercatori del Laboratorio nazionale di Shenyang per la scienza dei materiali presso l’Accademia cinese delle scienze ha ora dimostrato un modo alternativo per realizzare pellicole di grafite di alta qualità in pochi secondi, raffreddando strisce calde di fogli di nichel in etanolo. Il tasso di crescita di questi film è più di due ordini di grandezza superiore rispetto ai metodi esistenti, e la conduttività elettrica e la resistenza meccanica dei film sono alla pari con quelle dei film realizzati utilizzando la deposizione chimica da fase vapore (CVD).
Tutti i dispositivi elettronici producono radiazioni EM. Man mano che i dispositivi diventano sempre più piccoli e funzionano a frequenze sempre più elevate, il potenziale di interferenza elettromagnetica (EMI) aumenta e può influire negativamente sulle prestazioni del dispositivo e su quelle dei sistemi elettronici vicini.
La grafite, un allotropo di carbonio costituito da strati di grafene tenuti insieme dalle forze di van der Waals, ha una serie di notevoli proprietà elettriche, termiche e meccaniche che la rendono uno scudo efficace contro le interferenze elettromagnetiche. Tuttavia, deve avere la forma di una pellicola molto sottile per avere un'elevata conduttività elettrica, il che è importante per le applicazioni pratiche EMI perché significa che il materiale può riflettere e assorbire le onde EM mentre interagiscono con i portatori di carica all'interno Esso.
Allo stato attuale, i modi principali per produrre film di grafite comportano la pirolisi ad alta temperatura di polimeri aromatici o l’impilamento di ossido di grafene (GO) o nanofogli di grafene strato per strato. Entrambi i processi richiedono temperature elevate intorno ai 3000 °C e tempi di lavorazione di un'ora. Nella CVD, le temperature richieste sono più basse (tra 700 e 1300 °C), ma sono necessarie alcune ore per realizzare pellicole di spessore nanometrico, anche sotto vuoto.
Un team guidato da Wencai Ren ha ora prodotto una pellicola di grafite di alta qualità spessa decine di nanometri in pochi secondi riscaldando un foglio di nichel a 1200 °C in un’atmosfera di argon e quindi immergendo rapidamente questo foglio in etanolo a 0 °C. Gli atomi di carbonio prodotti dalla decomposizione dell'etanolo si diffondono e si dissolvono nel nichel grazie all'elevata solubilità del carbonio del metallo (0,4% in peso a 1200 °C). Poiché la solubilità del carbonio diminuisce notevolmente a bassa temperatura, gli atomi di carbonio successivamente si segregano e precipitano dalla superficie del nichel durante il raffreddamento, producendo uno spesso film di grafite. I ricercatori riferiscono che l'eccellente attività catalitica del nichel favorisce anche la formazione di grafite altamente cristallina.
Utilizzando una combinazione di microscopia a trasmissione ad alta risoluzione, diffrazione di raggi X e spettroscopia Raman, Ren e colleghi hanno scoperto che la grafite prodotta era altamente cristallina su ampie aree, ben stratificata e non conteneva difetti visibili. La conduttività elettronica della pellicola era pari a 2,6 x 105 S/m, simile alle pellicole cresciute mediante CVD o tecniche ad alta temperatura e pressatura di pellicole GO/grafene.
Per testare l'efficacia del materiale nel bloccare le radiazioni EM, il team ha trasferito pellicole con una superficie di 600 mm2 su substrati realizzati in polietilene tereftalato (PET). Hanno poi misurato l’efficacia di schermatura EMI (SE) della pellicola nella gamma di frequenze della banda X, tra 8,2 e 12,4 GHz. Hanno trovato un EMI SE superiore a 14,92 dB per una pellicola spessa circa 77 nm. Questo valore aumenta fino a oltre 20 dB (il valore minimo richiesto per le applicazioni commerciali) nell'intera banda X quando vengono impilate più pellicole insieme. Infatti, una pellicola contenente cinque pezzi di pellicole di grafite impilate (circa 385 nm di spessore in totale) ha un EMI SE di circa 28 dB, il che significa che il materiale può bloccare il 99,84% della radiazione incidente. Nel complesso, il team ha misurato una schermatura EMI di 481.000 dB/cm2/g attraverso la banda X, superando tutti i materiali sintetici precedentemente riportati.
I ricercatori affermano che, per quanto ne sanno, la loro pellicola di grafite è la più sottile tra i materiali di schermatura segnalati, con prestazioni di schermatura EMI in grado di soddisfare i requisiti per le applicazioni commerciali. Anche le sue proprietà meccaniche sono favorevoli. La resistenza alla frattura del materiale di circa 110 MPa (estratta dalle curve sforzo-deformazione del materiale posto su un supporto in policarbonato) è superiore a quella delle pellicole di grafite coltivate con altri metodi. La pellicola è inoltre flessibile e può essere piegata 1000 volte con un raggio di curvatura di 5 mm senza perdere le sue proprietà di schermatura EMI. È anche termicamente stabile fino a 550 °C. Il team ritiene che queste e altre proprietà significhino che potrebbe essere utilizzato come materiale di schermatura EMI ultrasottile, leggero, flessibile ed efficace per applicazioni in molte aree, tra cui l'aerospaziale, l'elettronica e l'optoelettronica.
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Orario di pubblicazione: 07-maggio-2020