Tack för att du registrerat dig hos Physics World. Om du vill ändra dina uppgifter när som helst, besök Mitt konto.
Grafitfilmer kan skydda elektroniska apparater från elektromagnetisk (EM) strålning, men nuvarande tekniker för att tillverka dem tar flera timmar och kräver bearbetningstemperaturer på cirka 3000 °C. Ett team av forskare från Shenyang National Laboratory for Materials Science vid Chinese Academy of Sciences har nu visat ett alternativt sätt att tillverka högkvalitativa grafitfilmer på bara några sekunder genom att kyla varma remsor av nickelfolie i etanol. Tillväxthastigheten för dessa filmer är mer än två storleksordningar högre än med befintliga metoder, och filmernas elektriska ledningsförmåga och mekaniska hållfasthet är i nivå med filmer tillverkade med kemisk ångavsättning (CVD).
Alla elektroniska apparater producerar en viss mängd elektromagnetisk strålning. I takt med att apparater blir allt mindre och arbetar vid allt högre frekvenser ökar risken för elektromagnetisk störning (EMI), vilket kan påverka apparatens prestanda negativt såväl som prestandan hos närliggande elektroniska system.
Grafit, en allotrop av kol uppbyggd av lager av grafen som hålls samman av van der Waals-krafter, har ett antal anmärkningsvärda elektriska, termiska och mekaniska egenskaper som gör den till en effektiv skärm mot EMI. Den måste dock vara i form av en mycket tunn film för att ha hög elektrisk ledningsförmåga, vilket är viktigt för praktiska EMI-tillämpningar eftersom det innebär att materialet kan reflektera och absorbera elektromagnetiska vågor när de interagerar med laddningsbärarna inuti det.
För närvarande är de huvudsakliga sätten att tillverka grafitfilm antingen högtemperaturpyrolys av aromatiska polymerer eller att stapla grafen (GO) oxid eller grafen nanoskikt lager för lager. Båda processerna kräver höga temperaturer på cirka 3000 °C och bearbetningstider på en timme. Vid CVD är de erforderliga temperaturerna lägre (mellan 700 och 1300 °C), men det tar några timmar att tillverka nanometertjocka filmer, även i vakuum.
Ett team lett av Wencai Ren har nu producerat högkvalitativ grafitfilm med en tjocklek på tiotals nanometer på några sekunder genom att värma nickelfolie till 1200 °C i en argonatmosfär och sedan snabbt doppa folien i etanol vid 0 °C. Kolatomerna som produceras vid nedbrytningen av etanol diffunderar och löses upp i nickeln tack vare metallens höga kollöslighet (0,4 viktprocent vid 1200 °C). Eftersom denna kollöslighet minskar kraftigt vid låg temperatur, segregerar kolatomerna därefter och fälls ut från nickelytan under kylning, vilket producerar en tjock grafitfilm. Forskarna rapporterar att nickelns utmärkta katalytiska aktivitet också bidrar till bildandet av högkristallin grafit.
Med hjälp av en kombination av högupplöst transmissionsmikroskopi, röntgendiffraktion och Ramanspektroskopi fann Ren och kollegor att den grafit de producerade var högkristallin över stora ytor, välskiktad och inte innehöll några synliga defekter. Filmens elektronledningsförmåga var så hög som 2,6 x 105 S/m, liknande filmer som odlats med CVD eller högtemperaturtekniker och pressning av GO/grafenfilmer.
För att testa hur väl materialet kunde blockera elektromagnetisk strålning överförde teamet filmer med en ytarea på 600 mm2 på substrat gjorda av polyetylentereftalat (PET). De mätte sedan filmens EMI-skärmningseffektivitet (SE) i X-bandets frekvensområde, mellan 8,2 och 12,4 GHz. De fann ett EMI SE på mer än 14,92 dB för en film som var cirka 77 nm tjock. Detta värde ökar till mer än 20 dB (det lägsta värdet som krävs för kommersiella tillämpningar) i hela X-bandet när de staplade fler filmer tillsammans. Faktum är att en film som innehåller fem staplade grafitfilmer (cirka 385 nm tjocka totalt) har ett EMI SE på cirka 28 dB, vilket innebär att materialet kan blockera 99,84 % av den inkommande strålningen. Sammantaget mätte teamet en EMI-skärmning på 481 000 dB/cm2/g över X-bandet, vilket överträffade alla tidigare rapporterade syntetiska material.
Forskarna säger att så vitt de vet är deras grafitfilm den tunnaste bland rapporterade skärmningsmaterial, med en EMI-skärmningsprestanda som kan uppfylla kraven för kommersiella tillämpningar. Dess mekaniska egenskaper är också gynnsamma. Materialets brotthållfasthet på ungefär 110 MPa (extraherad från spännings-töjningskurvor för materialet placerat på ett polykarbonatstöd) är högre än för grafitfilmer som odlats med andra metoder. Filmen är också flexibel och kan böjas 1000 gånger med en böjningsradie på 5 mm utan att förlora sina EMI-skärmningsegenskaper. Den är också termiskt stabil upp till 550 °C. Teamet tror att dessa och andra egenskaper innebär att den kan användas som ett ultratunt, lätt, flexibelt och effektivt EMI-skärmningsmaterial för tillämpningar inom många områden, inklusive flyg- och rymdteknik samt elektronik och optoelektronik.
Läs om de viktigaste och mest spännande framstegen inom materialvetenskap i denna nya open access-tidskrift.
Physics World representerar en viktig del av IOP Publishings uppdrag att kommunicera forskning och innovation i världsklass till en så bred publik som möjligt. Webbplatsen är en del av Physics Worlds portfölj, en samling online-, digitala och tryckta informationstjänster för det globala vetenskapssamhället.
Publiceringstid: 7 maj 2020