Благодарим вас за регистрацию в Physics World. Если вы хотите изменить свои данные в любое время, посетите «Мой аккаунт».
Графитовые пленки могут защитить электронные устройства от электромагнитного (ЭМ) излучения, но современные технологии их изготовления занимают несколько часов и требуют температуры обработки около 3000 °C. Группа исследователей из Шэньянской национальной лаборатории материаловедения Китайской академии наук продемонстрировала альтернативный способ изготовления высококачественных графитовых пленок всего за несколько секунд путем закалки горячих полос никелевой фольги в этаноле. Скорость роста этих пленок более чем на два порядка превышает существующие методы, а электропроводность и механическая прочность пленок находятся на одном уровне с пленками, полученными методом химического осаждения из газовой фазы (CVD).
Все электронные устройства производят некоторое электромагнитное излучение. Поскольку устройства становятся все меньше и работают на все более высоких частотах, потенциал электромагнитных помех (EMI) растет и может отрицательно повлиять на производительность устройства, а также на работу близлежащих электронных систем.
Графит, аллотроп углерода, построенный из слоев графена, скрепленных силами Ван-дер-Ваальса, обладает рядом замечательных электрических, термических и механических свойств, которые делают его эффективным экраном от электромагнитных помех. Однако для того, чтобы иметь высокую электропроводность, он должен иметь форму очень тонкой пленки, что важно для практических применений в области электромагнитных помех, поскольку это означает, что материал может отражать и поглощать электромагнитные волны при их взаимодействии с носителями заряда внутри. это.
В настоящее время основными способами изготовления графитовой пленки являются либо высокотемпературный пиролиз ароматических полимеров, либо послойное наложение оксида графена (ГО) или графеновых нанолистов. Оба процесса требуют высоких температур около 3000 °C и времени обработки около часа. Для CVD требуемые температуры ниже (от 700 до 1300 °C), но для изготовления пленок нанометровой толщины требуется несколько часов, даже в вакууме.
Команда под руководством Венцая Рена теперь создала высококачественную графитовую пленку толщиной в десятки нанометров за несколько секунд, нагревая никелевую фольгу до 1200 °C в атмосфере аргона, а затем быстро погружая эту фольгу в этанол при температуре 0 °C. Атомы углерода, образующиеся в результате разложения этанола, диффундируют и растворяются в никеле благодаря высокой растворимости углерода в металле (0,4 мас.% при 1200 °C). Поскольку растворимость углерода значительно снижается при низкой температуре, атомы углерода впоследствии отделяются и осаждаются с поверхности никеля во время закалки, образуя толстую графитовую пленку. Исследователи сообщают, что превосходная каталитическая активность никеля также способствует образованию высококристаллического графита.
Используя комбинацию трансмиссионной микроскопии высокого разрешения, рентгеновской дифракции и рамановской спектроскопии, Рен и его коллеги обнаружили, что произведенный ими графит имеет высокую кристалличность на больших площадях, хорошо слоистый и не содержит видимых дефектов. Электронная проводимость пленки достигала 2,6 х 105 См/м, что аналогично пленкам, выращенным методом CVD или высокотемпературными методами и прессованием пленок ОГ/графен.
Чтобы проверить, насколько хорошо материал может блокировать ЭМ-излучение, команда перенесла пленки площадью поверхности 600 мм2 на подложки из полиэтилентерефталата (ПЭТ). Затем они измерили эффективность экранирования электромагнитных помех (SE) пленки в диапазоне частот X-диапазона от 8,2 до 12,4 ГГц. Они обнаружили, что EMI SE превышает 14,92 дБ для пленки толщиной примерно 77 нм. Это значение увеличивается до более чем 20 дБ (минимальное значение, необходимое для коммерческого применения) во всем X-диапазоне, когда они складывают вместе больше пленок. Действительно, пленка, содержащая пять частей сложенных друг на друга графитовых пленок (общая толщина около 385 нм), имеет EMI SE около 28 дБ, что означает, что материал может блокировать 99,84% падающего излучения. В целом команда измерила экранирование электромагнитных помех в 481 000 дБ/см2/г в X-диапазоне, превзойдя все ранее сообщавшиеся синтетические материалы.
Исследователи говорят, что, насколько им известно, их графитовая пленка является самой тонкой среди известных защитных материалов, а ее характеристики экранирования от электромагнитных помех могут удовлетворить требования коммерческого применения. Его механические свойства также благоприятны. Прочность материала на разрушение около 110 МПа (определенная по кривым растяжения материала, помещенного на поликарбонатную подложку) выше, чем у графитовых пленок, выращенных другими методами. Пленка также гибкая: ее можно согнуть 1000 раз с радиусом изгиба 5 мм без потери своих экранирующих свойств от электромагнитных помех. Он также термически стабилен до 550 °C. Команда считает, что эти и другие свойства означают, что его можно использовать в качестве ультратонкого, легкого, гибкого и эффективного материала, экранирующего электромагнитные помехи, для применения во многих областях, включая аэрокосмическую, а также электронику и оптоэлектронику.
Прочтите о наиболее значительных и захватывающих достижениях в области материаловедения в этом новом журнале с открытым доступом.
«Мир физики» представляет собой ключевую часть миссии IOP Publishing по распространению информации об исследованиях и инновациях мирового уровня как можно более широкой аудитории. Веб-сайт является частью портфолио «Мир физики» — коллекции онлайн-, цифровых и печатных информационных услуг для мирового научного сообщества.
Время публикации: 07 мая 2020 г.