Bedankt voor uw registratie bij Physics World. Als u uw gegevens op elk gewenst moment wilt wijzigen, gaat u naar Mijn account
Grafietfilms kunnen elektronische apparaten beschermen tegen elektromagnetische (EM) straling, maar de huidige technieken voor de vervaardiging ervan duren enkele uren en vereisen verwerkingstemperaturen van ongeveer 3000 °C. Een team van onderzoekers van het Shenyang National Laboratory for Materials Science van de Chinese Academie van Wetenschappen heeft nu een alternatieve manier gedemonstreerd om in slechts enkele seconden hoogwaardige grafietfilms te maken door hete reepjes nikkelfolie in ethanol te blussen. De groeisnelheid voor deze films is ruim twee ordes van grootte hoger dan bij bestaande methoden, en de elektrische geleidbaarheid en mechanische sterkte van de films zijn vergelijkbaar met die van films gemaakt met behulp van chemische dampdepositie (CVD).
Alle elektronische apparaten produceren enige EM-straling. Naarmate apparaten steeds kleiner worden en op steeds hogere frequenties werken, groeit de kans op elektromagnetische interferentie (EMI) en dit kan de prestaties van het apparaat en die van elektronische systemen in de buurt negatief beïnvloeden.
Grafiet, een allotroop van koolstof opgebouwd uit lagen grafeen die bij elkaar worden gehouden door van der Waals-krachten, heeft een aantal opmerkelijke elektrische, thermische en mechanische eigenschappen die het tot een effectief schild tegen EMI maken. Het moet echter de vorm hebben van een zeer dunne film om een hoge elektrische geleidbaarheid te hebben, wat belangrijk is voor praktische EMI-toepassingen omdat het betekent dat het materiaal EM-golven kan reflecteren en absorberen terwijl deze interageren met de ladingsdragers binnenin. Het.
Op dit moment zijn de belangrijkste manieren om grafietfilms te maken ofwel pyrolyse bij hoge temperatuur van aromatische polymeren, ofwel het laag voor laag opstapelen van grafeen (GO) oxide of grafeen nanosheets. Beide processen vereisen hoge temperaturen van ongeveer 3000 °C en verwerkingstijden van een uur. Bij CVD zijn de vereiste temperaturen lager (tussen 700 en 1300 °C), maar het duurt een paar uur om films van nanometer dik te maken, zelfs in vacuüm.
Een team onder leiding van Wencai Ren heeft nu binnen enkele seconden hoogwaardige grafietfilm van tientallen nanometers dik geproduceerd door nikkelfolie in een argonatmosfeer tot 1200 °C te verwarmen en deze folie vervolgens snel onder te dompelen in ethanol van 0 °C. De koolstofatomen die ontstaan bij de ontleding van ethanol diffunderen en lossen op in het nikkel dankzij de hoge koolstofoplosbaarheid van het metaal (0,4 gew.% bij 1200 °C). Omdat deze koolstofoplosbaarheid bij lage temperatuur sterk afneemt, scheiden de koolstofatomen zich vervolgens af en slaan ze tijdens het afschrikken neer van het nikkeloppervlak, waardoor een dikke grafietfilm ontstaat. De onderzoekers melden dat de uitstekende katalytische activiteit van nikkel ook de vorming van zeer kristallijn grafiet bevordert.
Met behulp van een combinatie van transmissiemicroscopie met hoge resolutie, röntgendiffractie en Raman-spectroscopie ontdekten Ren en collega's dat het grafiet dat ze produceerden zeer kristallijn was over grote gebieden, goed gelaagd was en geen zichtbare defecten bevatte. De elektronengeleiding van de film was maar liefst 2,6 x 105 S/m, vergelijkbaar met films gegroeid door CVD of hoge temperatuurtechnieken en het persen van GO/grafeenfilms.
Om te testen hoe goed het materiaal EM-straling kon blokkeren, bracht het team films met een oppervlakte van 600 mm2 over op substraten gemaakt van polyethyleentereftalaat (PET). Vervolgens maten ze de EMI-afschermingseffectiviteit (SE) van de film in het X-band frequentiebereik, tussen 8,2 en 12,4 GHz. Ze vonden een EMI SE van ruim 14,92 dB voor een film van ongeveer 77 nm dik. Deze waarde stijgt tot meer dan 20 dB (de minimumwaarde die vereist is voor commerciële toepassingen) in de gehele X-band als ze meer films op elkaar stapelen. Een film met vijf op elkaar gestapelde grafietfilms (in totaal ongeveer 385 nm dik) heeft een EMI SE van ongeveer 28 dB, wat betekent dat het materiaal 99,84% van de invallende straling kan blokkeren. Over het geheel genomen heeft het team een EMI-afscherming van 481.000 dB/cm2/g over de X-band gemeten, wat beter presteert dan alle eerder gerapporteerde synthetische materialen.
De onderzoekers zeggen dat, voor zover zij weten, hun grafietfilm de dunste is onder de gerapporteerde afschermingsmaterialen, met een EMI-afschermingsprestatie die kan voldoen aan de vereisten voor commerciële toepassingen. Ook de mechanische eigenschappen zijn gunstig. De breuksterkte van het materiaal van ongeveer 110 MPa (ontleend aan spanning-rekcurven van het materiaal dat op een polycarbonaatdrager is geplaatst) is hoger dan die van grafietfilms die met de andere methoden zijn gegroeid. De film is ook flexibel en kan 1000 keer worden gebogen met een buigradius van 5 mm zonder de EMI-afschermende eigenschappen te verliezen. Het is ook thermisch stabiel tot 550 °C. Het team is van mening dat deze en andere eigenschappen betekenen dat het kan worden gebruikt als een ultradun, lichtgewicht, flexibel en effectief EMI-afschermingsmateriaal voor toepassingen in veel gebieden, waaronder de lucht- en ruimtevaart, maar ook in de elektronica en opto-elektronica.
Lees de belangrijkste en meest opwindende ontwikkelingen in de materiaalkunde in dit nieuwe open access tijdschrift.
Physics World vertegenwoordigt een belangrijk onderdeel van de missie van IOP Publishing om onderzoek en innovatie van wereldklasse aan een zo breed mogelijk publiek te communiceren. De website maakt deel uit van het Physics World-portfolio, een verzameling online, digitale en gedrukte informatiediensten voor de mondiale wetenschappelijke gemeenschap.
Posttijd: 07 mei 2020