סרט גרפיט שגדל במהירות חוסם קרינה אלקטרומגנטית

תודה שנרשמת ל-Physics World אם תרצה לשנות את הפרטים שלך בכל עת, בקר בחשבון שלי

סרטי גרפיט יכולים להגן על מכשירים אלקטרוניים מקרינה אלקטרומגנטית (EM), אך הטכניקות הנוכחיות לייצורם נמשכות מספר שעות ודורשות טמפרטורות עיבוד של כ-3000 מעלות צלזיוס. צוות חוקרים מהמעבדה הלאומית של שניאנג למדעי החומרים באקדמיה הסינית למדעים הדגים כעת דרך חלופית ליצור סרטי גרפיט באיכות גבוהה תוך שניות ספורות בלבד על ידי כיבוי רצועות חמות של רדיד ניקל באתנול. קצב הצמיחה של סרטים אלה גבוה ביותר משני סדרי גודל מאשר בשיטות הקיימות, והמוליכות החשמלית והחוזק המכני של הסרטים הם בשוויון לאלו של סרטים שנעשו באמצעות שקיעת אדים כימית (CVD).

כל המכשירים האלקטרוניים מייצרים מעט קרינת EM. ככל שהמכשירים הולכים ונעשים קטנים יותר ופועלים בתדרים גבוהים יותר ויותר, הפוטנציאל להפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) גדל, ועלול להשפיע לרעה על הביצועים של המכשיר כמו גם של מערכות אלקטרוניות סמוכות.

לגרפיט, אלוטרופ של פחמן הבנוי משכבות של גרפן המוחזקות יחד על ידי כוחות ואן דר ואלס, יש מספר תכונות חשמליות, תרמיות ומכניות יוצאות דופן שהופכות אותו למגן יעיל נגד EMI. עם זאת, זה צריך להיות בצורת סרט דק מאוד כדי שתהיה לו מוליכות חשמלית גבוהה, וזה חשוב ליישומי EMI מעשיים מכיוון שזה אומר שהחומר יכול לשקף ולספוג גלי EM כשהם מקיימים אינטראקציה עם נושאי המטען שבתוכם. זֶה.

נכון לעכשיו, הדרכים העיקריות לייצור סרט גרפיט כוללות פירוליזה בטמפרטורה גבוהה של פולימרים ארומטיים או ערימה של תחמוצת גרפן (GO) או גליונות ננו של גרפן שכבה אחר שכבה. שני התהליכים דורשים טמפרטורות גבוהות של כ-3000 מעלות צלזיוס וזמני עיבוד של שעה. ב-CVD, הטמפרטורות הנדרשות נמוכות יותר (בין 700 ל-1300 מעלות צלזיוס), אבל לוקח כמה שעות ליצור סרטים בעובי ננומטר, אפילו בוואקום.

צוות בראשות Wencai Ren ייצר כעת סרט גרפיט איכותי בעובי של עשרות ננומטרים בתוך שניות ספורות על ידי חימום נייר ניקל ל-1200 מעלות צלזיוס באווירת ארגון ולאחר מכן טבילה מהירה של רדיד זה באתנול ב-0 מעלות צלזיוס. אטומי הפחמן המופקים מפירוק אתנול מתפזרים ומתמוססים לניקל הודות למסיסות הפחמן הגבוהה של המתכת (0.4% משקל ב-1200 מעלות צלזיוס). מכיוון שמסיסות פחמן זו יורדת מאוד בטמפרטורה נמוכה, אטומי הפחמן נפרדים לאחר מכן ומשקעים ממשטח הניקל במהלך ההמרה, ומייצרים סרט גרפיט עבה. החוקרים מדווחים כי הפעילות הקטליטית המצוינת של ניקל מסייעת גם להיווצרות גרפיט גבישי מאוד.

באמצעות שילוב של מיקרוסקופ שידור ברזולוציה גבוהה, עקיפה של קרני רנטגן וספקטרוסקופיה של ראמאן, רן ועמיתיו מצאו שהגרפיט שהם ייצרו היה גבישי מאוד על פני שטחים גדולים, מרובד היטב ולא הכיל פגמים נראים לעין. מוליכות האלקטרונים של הסרט הייתה גבוהה כמו 2.6 x 105 S/m, בדומה לסרטים שגדלו על ידי CVD או טכניקות בטמפרטורה גבוהה ולחיצה של סרטי GO/גרפן.

כדי לבדוק עד כמה החומר יכול לחסום קרינת EM, הצוות העביר סרטים עם שטח פנים של 600 מ"מ על גבי מצעים העשויים מפוליאתילן טרפתלט (PET). לאחר מכן הם מדדו את יעילות מיגון ה-EMI (SE) של הסרט בטווח התדרים של פס X, בין 8.2 ל-12.4 גיגה-הרץ. הם מצאו EMI SE של יותר מ-14.92 dB עבור סרט בעובי של כ-77 ננומטר. ערך זה עולה ליותר מ-20 dB (הערך המינימלי הנדרש עבור יישומים מסחריים) בכל פס ה-X כאשר הם ערמו יותר סרטים יחד. ואכן, לסרט המכיל חמש חתיכות של סרטי גרפיט מוערמים (בסביבות 385 ננומטר בעובי בסך הכל) יש EMI SE של כ-28 dB, מה שאומר שהחומר יכול לחסום 99.84% מהקרינה המתרחשת. בסך הכל, הצוות מדד מיגון EMI של 481,000 dB/cm2/g על פני פס ה-X, ביצועים טובים יותר מכל החומרים הסינתטיים שדווחו בעבר.

החוקרים אומרים שלמיטב ידיעתם, סרט הגרפיט שלהם הוא הדק ביותר מבין חומרי המיגון המדווחים, עם ביצועי מיגון EMI שיכולים לספק את הדרישה ליישומים מסחריים. גם התכונות המכניות שלו טובות. חוזק השבר של החומר של בערך 110 MPa (מופק מעקומות מתח-מתח של החומר המונח על תומך פוליקרבונט) גבוה מזה של סרטי גרפיט שגדלו בשיטות האחרות. הסרט גמיש גם הוא, וניתן לכופף אותו 1000 פעמים ברדיוס כיפוף של 5 מ"מ מבלי לאבד את תכונות המיגון שלו EMI. זה גם יציב תרמית עד 550 מעלות צלזיוס. הצוות מאמין שמאפיינים אלה ואחרים פירושם שהוא יכול לשמש כחומר מיגון EMI דק במיוחד, קל משקל, גמיש ויעיל עבור יישומים בתחומים רבים, כולל תעופה וחלל כמו גם אלקטרוניקה ואלקטרוניקה אופטו.

קרא את ההתקדמות המשמעותית והמרגשת ביותר במדעי החומרים בכתב עת חדש זה בגישה פתוחה.

Physics World מייצג חלק מרכזי במשימתה של IOP Publishing להעביר מחקר וחדשנות ברמה עולמית לקהל הרחב ביותר האפשרי. האתר מהווה חלק מתיק הפיסיקה העולמית, אוסף של שירותי מידע מקוונים, דיגיטליים ודפוס עבור הקהילה המדעית העולמית.