სწრაფად გაზრდილი გრაფიტის ფილმი ბლოკავს ელექტრომაგნიტურ გამოსხივებას

გმადლობთ Physics World-ში დარეგისტრირებისთვის თუ გსურთ თქვენი მონაცემების შეცვლა ნებისმიერ დროს, გთხოვთ, ეწვიოთ ჩემს ანგარიშს

გრაფიტის ფილმებს შეუძლიათ დაიცვან ელექტრონული მოწყობილობები ელექტრომაგნიტური (EM) გამოსხივებისგან, მაგრამ მათი წარმოების თანამედროვე ტექნიკას რამდენიმე საათი სჭირდება და დამუშავების ტემპერატურა დაახლოებით 3000 °C-ია. ჩინეთის მეცნიერებათა აკადემიის შენიანგის მასალების მეცნიერების ეროვნული ლაბორატორიის მკვლევართა ჯგუფმა ახლა აჩვენა მაღალი ხარისხის გრაფიტის ფილმების დამზადების ალტერნატიული გზა სულ რამდენიმე წამში ნიკელის ფოლგის ცხელი ზოლების ეთანოლში ჩაქრობით. ამ ფილმების ზრდის ტემპი ორ ბრძანებაზე მეტია, ვიდრე არსებულ მეთოდებში, ხოლო ფირის ელექტრული გამტარობა და მექანიკური სიძლიერე უტოლდება ქიმიური ორთქლის დეპონირების (CVD) გამოყენებით დამზადებული ფილმების მაჩვენებელს.

ყველა ელექტრონული მოწყობილობა აწარმოებს გარკვეულ EM გამოსხივებას. რაც უფრო პატარა ხდება მოწყობილობები და მუშაობენ უფრო და უფრო მაღალ სიხშირეებზე, ელექტრომაგნიტური ჩარევის (EMI) პოტენციალი იზრდება და შეიძლება უარყოფითად იმოქმედოს როგორც მოწყობილობის, ასევე ახლომდებარე ელექტრონული სისტემების მუშაობაზე.

გრაფიტს, ნახშირბადის ალოტროპს, რომელიც აგებულია გრაფენის ფენებისგან, რომლებიც ვან დერ ვაალის ძალების მიერ არის შეკრული, აქვს არაერთი შესანიშნავი ელექტრული, თერმული და მექანიკური თვისება, რაც მას ეფექტურ ფარად აქცევს EMI-ს წინააღმდეგ. თუმცა, ის უნდა იყოს ძალიან თხელი ფილმის სახით, რომ ჰქონდეს მაღალი ელექტრული გამტარობა, რაც მნიშვნელოვანია EMI პრაქტიკული გამოყენებისთვის, რადგან ეს ნიშნავს, რომ მასალას შეუძლია ასახოს და შთანთქას EM ტალღები, როდესაც ისინი ურთიერთქმედებენ შიგნით მუხტის მატარებლებთან. ის.

ამჟამად, გრაფიტის ფირის დამზადების ძირითადი გზები მოიცავს ან არომატული პოლიმერების მაღალტემპერატურულ პიროლიზს, ან გრაფენის (GO) ოქსიდის ან გრაფენის ნანოფურცლების ფენად დაწყობას. ორივე პროცესი მოითხოვს მაღალ ტემპერატურას დაახლოებით 3000 °C და დამუშავების დროს საათში. CVD-ში, საჭირო ტემპერატურა უფრო დაბალია (700-დან 1300 °C-მდე), მაგრამ ნანომეტრის სისქის ფირის გაკეთებას რამდენიმე საათი სჭირდება, თუნდაც ვაკუუმში.

Wencai Ren-ის ხელმძღვანელობით ჯგუფმა ახლა დაამზადა მაღალი ხარისხის გრაფიტის ფილმი ათობით ნანომეტრის სისქის რამდენიმე წამში ნიკელის ფოლგის გაცხელებით 1200 °C-მდე არგონის ატმოსფეროში და შემდეგ სწრაფად ჩაეფლო ეს ფოლგა ეთანოლში 0 °C ტემპერატურაზე. ეთანოლის დაშლის შედეგად წარმოქმნილი ნახშირბადის ატომები დიფუზირდება და იხსნება ნიკელში ლითონის მაღალი ნახშირბადის ხსნადობის გამო (0,4 wt% 1200 °C-ზე). იმის გამო, რომ ნახშირბადის ეს ხსნადობა მნიშვნელოვნად მცირდება დაბალ ტემპერატურაზე, ნახშირბადის ატომები შემდგომში გამოყოფენ და იშლება ნიკელის ზედაპირიდან ჩაქრობის დროს, რაც წარმოქმნის სქელ გრაფიტის ფენას. მკვლევარები აცხადებენ, რომ ნიკელის შესანიშნავი კატალიზური აქტივობა ასევე ხელს უწყობს უაღრესად კრისტალური გრაფიტის წარმოქმნას.

მაღალი გარჩევადობის გადაცემის მიკროსკოპის, რენტგენის დიფრაქციისა და რამანის სპექტროსკოპიის კომბინაციით, რენმა და კოლეგებმა დაადგინეს, რომ მათ მიერ წარმოებული გრაფიტი იყო ძალიან კრისტალური დიდ ტერიტორიებზე, კარგად ფენიანი და არ შეიცავს ხილულ დეფექტებს. ფირის ელექტრონული გამტარობა იყო 2,6 x 105 ს/მ, რაც მსგავსია CVD ან მაღალი ტემპერატურის ტექნიკით და GO/გრაფენის ფირის დაჭერით გაზრდილი ფილმებისა.

იმის შესამოწმებლად, თუ რამდენად შეუძლია მასალას დაბლოკოს EM გამოსხივება, ჯგუფმა გადაიტანა 600 მმ2 ზედაპირის ფილა პოლიეთილენ ტერეფტალატისგან (PET) დამზადებულ სუბსტრატებზე. შემდეგ მათ გაზომეს ფილმის EMI დამცავი ეფექტურობა (SE) X-band სიხშირის დიაპაზონში, 8.2-დან 12.4 გჰც-მდე. მათ აღმოაჩინეს EMI SE 14,92 დბ-ზე მეტი, დაახლოებით 77 ნმ სისქის ფილმისთვის. ეს მნიშვნელობა იზრდება 20 დბ-მდე (კომერციული აპლიკაციებისთვის საჭირო მინიმალური მნიშვნელობა) მთელ X-ჯგუფში, როდესაც ისინი ერთად აწყობენ მეტ ფილმს. მართლაც, ფილმს, რომელიც შეიცავს ხუთ ცალი დაწყობილი გრაფიტის ფირის (დაახლოებით 385 ნმ სისქის მთლიანობაში) აქვს EMI SE დაახლოებით 28 dB, რაც ნიშნავს, რომ მასალას შეუძლია დაბლოკოს ინციდენტური გამოსხივების 99,84%. საერთო ჯამში, ჯგუფმა გაზომა EMI დაცულობა 481,000 dB/cm2/g მთელს X-ზოლში, რაც აღემატება ყველა ადრე მოხსენებულ სინთეტიკურ მასალას.

მკვლევარები ამბობენ, რომ მათი ცოდნის მიხედვით, მათი გრაფიტის ფირი ყველაზე თხელია მოხსენებულ დამცავ მასალებს შორის, EMI დამცავი ფუნქციით, რომელსაც შეუძლია დააკმაყოფილოს კომერციული აპლიკაციების მოთხოვნები. მისი მექანიკური თვისებები ასევე ხელსაყრელია. მასალის მოტეხილობის სიძლიერე დაახლოებით 110 მპაა (ამოღებულია პოლიკარბონატის საყრდენზე მოთავსებული მასალის დაძაბულობა-დაჭიმვის მრუდიდან) უფრო მაღალია, ვიდრე სხვა მეთოდებით გაზრდილი გრაფიტის ფირები. ფილმი ასევე მოქნილია და შეიძლება დაიღუნოს 1000-ჯერ 5 მმ მოხრის რადიუსით EMI დამცავი თვისებების დაკარგვის გარეშე. ის ასევე თერმულად სტაბილურია 550 °C-მდე. გუნდი თვლის, რომ ეს და სხვა თვისებები ნიშნავს, რომ ის შეიძლება გამოყენებულ იქნას როგორც ულტრათხელი, მსუბუქი, მოქნილი და ეფექტური EMI დამცავი მასალა მრავალ სფეროში, მათ შორის აერონავტიკაში, ასევე ელექტრონიკასა და ოპტოელექტრონიკაში.

წაიკითხეთ მასალების მეცნიერების ყველაზე მნიშვნელოვანი და საინტერესო მიღწევები ამ ახალ ღია წვდომის ჟურნალში.

Physics World წარმოადგენს IOP Publishing-ის მისიის ძირითად ნაწილს, რათა მიაწოდოს მსოფლიო დონის კვლევები და ინოვაციები რაც შეიძლება ფართო აუდიტორიას. ვებგვერდი წარმოადგენს Physics World პორტფოლიოს ნაწილს, ონლაინ, ციფრული და ბეჭდვითი საინფორმაციო სერვისების კოლექციას გლობალური სამეცნიერო საზოგადოებისთვის.