Vă mulțumim pentru înregistrarea la Physics World Dacă doriți să vă schimbați detaliile în orice moment, vă rugăm să vizitați Contul meu
Filmele de grafit pot proteja dispozitivele electronice de radiațiile electromagnetice (EM), dar tehnicile actuale de fabricare a acestora durează câteva ore și necesită temperaturi de procesare de aproximativ 3000 °C. O echipă de cercetători de la Laboratorul Național pentru Știința Materialelor din Shenyang de la Academia Chineză de Științe a demonstrat acum o modalitate alternativă de a face filme de grafit de înaltă calitate în doar câteva secunde prin stingerea benzilor fierbinți de folie de nichel în etanol. Rata de creștere a acestor filme este cu peste două ordine de mărime mai mare decât în metodele existente, iar conductivitatea electrică și rezistența mecanică a filmelor sunt la egalitate cu cele ale filmelor realizate prin depunerea chimică în vapori (CVD).
Toate dispozitivele electronice produc unele radiații EM. Pe măsură ce dispozitivele devin din ce în ce mai mici și funcționează la frecvențe din ce în ce mai mari, potențialul de interferență electromagnetică (EMI) crește și poate afecta negativ performanța dispozitivului, precum și pe cea a sistemelor electronice din apropiere.
Grafitul, un alotrop de carbon construit din straturi de grafen ținute împreună de forțele van der Waals, are o serie de proprietăți electrice, termice și mecanice remarcabile care îl fac un scut eficient împotriva EMI. Cu toate acestea, trebuie să fie sub forma unui film foarte subțire pentru ca acesta să aibă o conductivitate electrică ridicată, ceea ce este important pentru aplicațiile practice EMI, deoarece înseamnă că materialul poate reflecta și absorb undele EM în timp ce interacționează cu purtătorii de sarcină din interior. ea.
În prezent, principalele modalități de fabricare a filmului de grafit implică fie piroliza la temperatură înaltă a polimerilor aromatici, fie stivuirea oxidului de grafen (GO) sau a nanofilor de grafen strat cu strat. Ambele procese necesită temperaturi ridicate de aproximativ 3000 °C și timpi de procesare de o oră. În CVD, temperaturile necesare sunt mai scăzute (între 700 și 1300 °C), dar este nevoie de câteva ore pentru a face filme groase nanometrice, chiar și în vid.
O echipă condusă de Wencai Ren a produs acum un film de grafit de înaltă calitate, grosime de zeci de nanometri în câteva secunde, încălzind folie de nichel la 1200 °C într-o atmosferă de argon și apoi scufundând rapid această folie în etanol la 0 °C. Atomii de carbon produși din descompunerea etanolului difuzează și se dizolvă în nichel datorită solubilității ridicate a metalului în carbon (0,4% în greutate la 1200 °C). Deoarece această solubilitate a carbonului scade foarte mult la temperatură scăzută, atomii de carbon se segregează și precipită ulterior de pe suprafața nichelului în timpul călirii, producând o peliculă groasă de grafit. Cercetătorii raportează că activitatea catalitică excelentă a nichelului ajută, de asemenea, la formarea grafitului puternic cristalin.
Folosind o combinație de microscopie de transmisie de înaltă rezoluție, difracție cu raze X și spectroscopie Raman, Ren și colegii săi au descoperit că grafitul pe care l-au produs era foarte cristalin pe suprafețe mari, bine stratificat și nu conținea defecte vizibile. Conductivitatea electronică a filmului a fost de până la 2,6 x 105 S/m, similar cu filmele crescute prin tehnici CVD sau la temperatură înaltă și presarea filmelor GO/grafen.
Pentru a testa cât de bine ar putea bloca materialul radiația EM, echipa a transferat filme cu o suprafață de 600 mm2 pe substraturi din polietilen tereftalat (PET). Apoi au măsurat eficacitatea ecranării EMI (SE) a filmului în intervalul de frecvență a benzii X, între 8,2 și 12,4 GHz. Ei au găsit un EMI SE de mai mult de 14,92 dB pentru un film de aproximativ 77 nm grosime. Această valoare crește la mai mult de 20 dB (valoarea minimă necesară pentru aplicațiile comerciale) în întreaga bandă X atunci când au stivuit mai multe filme împreună. Într-adevăr, un film care conține cinci bucăți de filme de grafit stivuite (în jur de 385 nm grosime în total) are un EMI SE de aproximativ 28 dB, ceea ce înseamnă că materialul poate bloca 99,84% din radiația incidentă. În general, echipa a măsurat o ecranare EMI de 481.000 dB/cm2/g în banda X, depășind toate materialele sintetice raportate anterior.
Cercetătorii spun că, după cunoștințele lor, pelicula lor de grafit este cea mai subțire dintre materialele de ecranare raportate, cu o performanță de ecranare EMI care poate satisface cerințele aplicațiilor comerciale. Proprietățile sale mecanice sunt, de asemenea, favorabile. Rezistența la rupere a materialului de aproximativ 110 MPa (extras din curbele de tensiune-deformare ale materialului plasat pe un suport de policarbonat) este mai mare decât cea a filmelor de grafit crescute prin alte metode. Filmul este, de asemenea, flexibil și poate fi îndoit de 1000 de ori cu o rază de îndoire de 5 mm fără a-și pierde proprietățile de ecranare EMI. De asemenea, este stabilă termic până la 550 °C. Echipa consideră că aceste și alte proprietăți înseamnă că ar putea fi folosit ca material de ecranare EMI ultrasubțire, ușor, flexibil și eficient pentru aplicații în multe domenii, inclusiv în domeniul aerospațial, precum și în electronică și optoelectronică.
Citiți cele mai semnificative și incitante progrese în știința materialelor în acest nou jurnal cu acces deschis.
Physics World reprezintă o parte cheie a misiunii IOP Publishing de a comunica cercetarea și inovația de clasă mondială către cel mai larg public posibil. Site-ul web face parte din portofoliul Physics World, o colecție de servicii de informații online, digitale și tipărite pentru comunitatea științifică globală.
Ora postării: mai-07-2020