Dziękujemy za rejestrację w Physics World. Jeśli chcesz w dowolnym momencie zmienić swoje dane, odwiedź Moje konto
Folie grafitowe mogą chronić urządzenia elektroniczne przed promieniowaniem elektromagnetycznym (EM), ale obecne techniki ich wytwarzania zajmują kilka godzin i wymagają temperatur przetwarzania wynoszących około 3000 °C. Zespół naukowców z Narodowego Laboratorium Nauki o Materiałach w Shenyang przy Chińskiej Akademii Nauk zademonstrował alternatywny sposób wytwarzania wysokiej jakości folii grafitowych w ciągu zaledwie kilku sekund poprzez hartowanie gorących pasków folii niklowej w etanolu. Szybkość wzrostu tych folii jest o ponad dwa rzędy wielkości większa niż w przypadku istniejących metod, a przewodność elektryczna i wytrzymałość mechaniczna folii są porównywalne z foliami wykonanymi metodą chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD).
Wszystkie urządzenia elektroniczne wytwarzają pewne promieniowanie elektromagnetyczne. W miarę jak urządzenia stają się coraz mniejsze i działają na coraz wyższych częstotliwościach, rośnie potencjał zakłóceń elektromagnetycznych (EMI), które mogą niekorzystnie wpływać na działanie urządzenia, a także pobliskich systemów elektronicznych.
Grafit, alotrop węgla zbudowany z warstw grafenu utrzymywanych razem siłami van der Waalsa, ma szereg niezwykłych właściwości elektrycznych, termicznych i mechanicznych, które czynią go skuteczną osłoną przed zakłóceniami elektromagnetycznymi. Jednakże musi mieć postać bardzo cienkiej warstwy, aby miał wysoką przewodność elektryczną, co jest ważne w praktycznych zastosowaniach EMI, ponieważ oznacza, że materiał może odbijać i pochłaniać fale elektromagnetyczne podczas ich interakcji z nośnikami ładunku wewnątrz To.
Obecnie główne sposoby wytwarzania folii grafitowej obejmują pirolizę w wysokiej temperaturze polimerów aromatycznych lub układanie warstwy po warstwie tlenku grafenu (GO) lub nanoarkuszów grafenu. Obydwa procesy wymagają wysokich temperatur około 3000°C i czasu przetwarzania wynoszącego godzinę. W przypadku CVD wymagane temperatury są niższe (od 700 do 1300 °C), ale wytworzenie folii o grubości nanometrowej, nawet w próżni, zajmuje kilka godzin.
Zespół kierowany przez Wencai Rena wyprodukował obecnie wysokiej jakości folię grafitową o grubości kilkudziesięciu nanometrów w ciągu kilku sekund, podgrzewając folię niklową do 1200°C w atmosferze argonu, a następnie szybko zanurzając tę folię w etanolu o temperaturze 0°C. Atomy węgla powstałe w wyniku rozkładu etanolu dyfundują i rozpuszczają się w niklu dzięki wysokiej rozpuszczalności metalu w węglu (0,4% wag. w temperaturze 1200 °C). Ponieważ rozpuszczalność węgla znacznie maleje w niskiej temperaturze, atomy węgla następnie oddzielają się i wytrącają z powierzchni niklu podczas hartowania, tworząc grubą warstwę grafitu. Naukowcy podają, że doskonała aktywność katalityczna niklu pomaga również w tworzeniu wysoce krystalicznego grafitu.
Korzystając z połączenia wysokiej rozdzielczości mikroskopii transmisyjnej, dyfrakcji promieni rentgenowskich i spektroskopii Ramana, Ren i współpracownicy odkryli, że wytworzony przez nich grafit był wysoce krystaliczny na dużych obszarach, dobrze uwarstwiony i nie zawierał widocznych defektów. Przewodność elektronowa folii wyniosła aż 2,6 x 105 S/m, podobnie jak w przypadku folii hodowanych metodą CVD lub technikami wysokotemperaturowymi oraz prasowania folii GO/grafen.
Aby sprawdzić, jak dobrze materiał może blokować promieniowanie elektromagnetyczne, zespół przeniósł folie o powierzchni 600 mm2 na podłoża wykonane z politereftalanu etylenu (PET). Następnie zmierzyli skuteczność ekranowania EMI (SE) folii w zakresie częstotliwości pasma X, od 8,2 do 12,4 GHz. Odkryli, że EMI SE wynosi ponad 14,92 dB dla folii o grubości około 77 nm. Wartość ta wzrasta do ponad 20 dB (minimalna wartość wymagana w zastosowaniach komercyjnych) w całym paśmie X, gdy ułożono razem więcej folii. Rzeczywiście, folia zawierająca pięć kawałków ułożonych warstw grafitu (o łącznej grubości około 385 nm) ma EMI SE około 28 dB, co oznacza, że materiał może blokować 99,84% padającego promieniowania. Ogólnie rzecz biorąc, zespół zmierzył ekranowanie EMI na poziomie 481 000 dB/cm2/g w paśmie X, co stanowi wynik lepszy od wszystkich wcześniej zgłoszonych materiałów syntetycznych.
Naukowcy twierdzą, że według ich najlepszej wiedzy ich folia grafitowa jest najcieńszą spośród zgłoszonych materiałów ekranujących, a skuteczność ekranowania EMI może spełnić wymagania zastosowań komercyjnych. Korzystne są także jego właściwości mechaniczne. Wytrzymałość materiału na pękanie wynosząca około 110 MPa (wyliczona z krzywych naprężenia i odkształcenia materiału umieszczonego na podłożu z poliwęglanu) jest wyższa niż w przypadku folii grafitowych hodowanych innymi metodami. Folia jest również elastyczna i można ją zginać 1000 razy przy promieniu gięcia 5 mm bez utraty właściwości ekranowania EMI. Jest również stabilny termicznie do 550°C. Zespół jest przekonany, że te i inne właściwości oznaczają, że można go zastosować jako ultracienki, lekki, elastyczny i skuteczny materiał ekranujący EMI do zastosowań w wielu obszarach, w tym w lotnictwie i kosmonautyce, a także w elektronice i optoelektronice.
Przeczytaj najważniejsze i najbardziej ekscytujące osiągnięcia w dziedzinie inżynierii materiałowej w tym nowym czasopiśmie o otwartym dostępie.
Physics World stanowi kluczową część misji IOP Publishing polegającej na komunikowaniu światowej klasy badań i innowacji możliwie najszerszemu gronu odbiorców. Witryna stanowi część portfolio Physics World, zbioru usług informacyjnych online, cyfrowych i drukowanych dla globalnej społeczności naukowej.
Czas publikacji: 7 maja 2020 r