Takk for at du registrerte deg hos Physics World Hvis du vil endre opplysningene dine når som helst, kan du gå til Min konto
Grafittfilmer kan skjerme elektroniske enheter mot elektromagnetisk (EM) stråling, men dagens teknikker for å produsere dem tar flere timer og krever behandlingstemperaturer på rundt 3000 °C. Et team av forskere fra Shenyang National Laboratory for Materials Science ved det kinesiske vitenskapsakademiet har nå demonstrert en alternativ måte å lage høykvalitets grafittfilmer på på bare noen få sekunder ved å slukke varme strimler av nikkelfolie i etanol. Veksthastigheten for disse filmene er mer enn to størrelsesordener høyere enn i eksisterende metoder, og filmenes elektriske ledningsevne og mekaniske styrke er på nivå med filmer laget ved bruk av kjemisk dampavsetning (CVD).
Alle elektroniske enheter produserer noe EM-stråling. Etter hvert som enhetene blir stadig mindre og opererer med høyere og høyere frekvenser, øker potensialet for elektromagnetisk interferens (EMI), og kan påvirke ytelsen til enheten så vel som til elektroniske systemer i nærheten.
Grafitt, en allotrop av karbon bygget av lag med grafen holdt sammen av van der Waals-krefter, har en rekke bemerkelsesverdige elektriske, termiske og mekaniske egenskaper som gjør den til et effektivt skjold mot EMI. Den må imidlertid være i form av en veldig tynn film for at den skal ha høy elektrisk ledningsevne, noe som er viktig for praktiske EMI-applikasjoner fordi det betyr at materialet kan reflektere og absorbere EM-bølger når de samhandler med ladningsbærerne inni. den.
For tiden involverer hovedmåtene for å lage grafittfilm enten høytemperaturpyrolyse av aromatiske polymerer eller stabling av grafen (GO) oksid eller grafen nanoark lag for lag. Begge prosessene krever høye temperaturer på rundt 3000 °C og behandlingstider på en time. Ved CVD er de nødvendige temperaturene lavere (mellom 700 til 1300 °C), men det tar noen timer å lage nanometertykke filmer, selv i vakuum.
Et team ledet av Wencai Ren har nå produsert høykvalitets grafittfilm som er titalls nanometer tykk i løpet av få sekunder ved å varme opp nikkelfolie til 1200 °C i en argonatmosfære og deretter raskt senke denne folien i etanol ved 0 °C. Karbonatomene som produseres ved nedbryting av etanol diffunderer og løses opp i nikkel takket være metallets høye karbonløselighet (0,4 vekt% ved 1200 °C). Fordi denne karbonløseligheten reduseres kraftig ved lav temperatur, skiller karbonatomene seg og utfelles deretter fra nikkeloverflaten under bråkjøling, og produserer en tykk grafittfilm. Forskerne rapporterer at den utmerkede katalytiske aktiviteten til nikkel også hjelper dannelsen av høykrystallinsk grafitt.
Ved å bruke en kombinasjon av høyoppløselig transmisjonsmikroskopi, røntgendiffraksjon og Raman-spektroskopi fant Ren og kolleger at grafitten de produserte var svært krystallinsk over store områder, godt lagdelt og inneholdt ingen synlige defekter. Elektronledningsevnen til filmen var så høy som 2,6 x 105 S/m, lik filmer dyrket ved CVD eller høytemperaturteknikker og pressing av GO/grafenfilmer.
For å teste hvor godt materialet kunne blokkere EM-stråling, overførte teamet filmer med et overflateareal på 600 mm2 til underlag laget av polyetylentereftalat (PET). De målte deretter filmens EMI-skjermingseffektivitet (SE) i X-båndets frekvensområde, mellom 8,2 og 12,4 GHz. De fant en EMI SE på mer enn 14,92 dB for en film som er omtrent 77 nm tykk. Denne verdien øker til mer enn 20 dB (minimumsverdien som kreves for kommersielle applikasjoner) i hele X-båndet når de stablet flere filmer sammen. Faktisk har en film som inneholder fem stykker stablede grafittfilmer (rundt 385 nm tykke totalt) en EMI SE på rundt 28 dB, noe som betyr at materialet kan blokkere 99,84 % av innfallende stråling. Totalt sett målte teamet en EMI-skjerming på 481 000 dB/cm2/g over X-båndet, noe som overgikk alle tidligere rapporterte syntetiske materialer.
Forskerne sier at etter beste kunnskap er grafittfilmen deres den tynneste blant rapporterte skjermingsmaterialer, med en EMI-skjermingsytelse som kan tilfredsstille kravet til kommersielle applikasjoner. Dens mekaniske egenskaper er også gunstige. Materialets bruddstyrke på omtrent 110 MPa (ekstrahert fra spennings-tøyningskurver av materialet plassert på en polykarbonatbærer) er høyere enn for grafittfilmer dyrket ved de andre metodene. Filmen er også fleksibel, og kan bøyes 1000 ganger med en bøyeradius på 5 mm uten å miste sine EMI-skjermingsegenskaper. Den er også termisk stabil opp til 550 °C. Teamet mener at disse og andre egenskaper betyr at det kan brukes som et ultratynt, lett, fleksibelt og effektivt EMI-skjermingsmateriale for applikasjoner på mange områder, inkludert romfart samt elektronikk og optoelektronikk.
Les de mest betydningsfulle og spennende fremskrittene innen materialvitenskap i dette nye tidsskriftet med åpen tilgang.
Physics World representerer en sentral del av IOP Publishings oppdrag om å formidle forskning og innovasjon i verdensklasse til et bredest mulig publikum. Nettstedet er en del av Physics World-porteføljen, en samling av elektroniske, digitale og trykte informasjonstjenester for det globale vitenskapelige samfunnet.
Innleggstid: mai-07-2020