Tack för att du registrerade dig hos Physics World Om du vill ändra dina uppgifter när som helst, besök Mitt konto
Grafitfilmer kan skydda elektroniska enheter från elektromagnetisk (EM) strålning, men nuvarande tekniker för att tillverka dem tar flera timmar och kräver bearbetningstemperaturer på runt 3000 °C. Ett team av forskare från Shenyang National Laboratory for Materials Science vid den kinesiska vetenskapsakademin har nu demonstrerat ett alternativt sätt att göra 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 i befintliga metoder, och filmernas elektriska ledningsförmåga och mekaniska styrka är i nivå med filmer gjorda med kemisk ångdeposition (CVD).
Alla elektroniska enheter producerar en del EM-strålning. När enheterna blir allt mindre och arbetar med högre och högre frekvenser, ökar risken för elektromagnetisk interferens (EMI) och kan negativt påverka enhetens prestanda och närliggande elektroniska system.
Grafit, en allotrop av kol byggd 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 sköld mot EMI. Det måste dock vara i form av en mycket tunn film för att det ska ha en hög elektrisk ledningsförmåga, vilket är viktigt för praktiska EMI-tillämpningar eftersom det innebär att materialet kan reflektera och absorbera EM-vågor när de interagerar med laddningsbärarna inuti det.
För närvarande involverar de huvudsakliga sätten att göra grafitfilm antingen högtemperaturpyrolys av aromatiska polymerer eller stapling av grafen (GO) oxid eller grafen nanoark 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 till 1300 °C), men det tar några timmar att göra nanometertjocka filmer, även i vakuum.
Ett team ledd av Wencai Ren har nu producerat högkvalitativ grafitfilm som är tiotals nanometer tjock inom några sekunder genom att värma upp nickelfolie till 1200 °C i en argonatmosfär och sedan snabbt sänka ned denna folie i etanol vid 0 °C. Kolatomerna som bildas vid nedbrytningen av etanol diffunderar och löses upp i nickel tack vare metallens höga kollöslighet (0,4 viktprocent vid 1200 °C). Eftersom denna kollöslighet avsevärt minskar vid låg temperatur, separerar kolatomerna därefter och fälls ut från nickelytan under härdning, vilket ger en tjock grafitfilm. Forskarna rapporterar att nickels utmärkta katalytiska aktivitet också hjälper till att bilda högkristallin grafit.
Med hjälp av en kombination av högupplöst transmissionsmikroskopi, röntgendiffraktion och Raman-spektroskopi fann Ren och kollegor att grafiten de producerade var mycket kristallin över stora ytor, väl skiktad och innehöll inga synliga defekter. Filmens elektronledningsförmåga var så hög som 2,6 x 105 S/m, liknande filmer odlade med CVD eller högtemperaturtekniker och pressning av GO/grafenfilmer.
För att testa hur väl materialet kunde blockera EM-strålning överförde teamet filmer med en yta på 600 mm2 på substrat gjorda av polyetylentereftalat (PET). De mätte sedan filmens EMI-avskärmningseffektivitet (SE) i X-bandets frekvensområde, mellan 8,2 och 12,4 GHz. De hittade en EMI SE på mer än 14,92 dB för en film som var ungefär 77 nm tjock. Detta värde ökar till mer än 20 dB (minimivärdet som krävs för kommersiella applikationer) i hela X-bandet när de staplade fler filmer tillsammans. Faktum är att en film som innehåller fem stycken staplade grafitfilmer (cirka 385 nm tjock totalt) har en EMI SE på cirka 28 dB, vilket innebär att materialet kan blockera 99,84 % av infallande strålning. 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 såvitt 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 (utvunnet från spännings-töjningskurvor av 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 böjradie på 5 mm utan att förlora sina EMI-avskärmande egenskaper. Den är även termiskt stabil upp till 550 °C. Teamet tror att dessa och andra egenskaper innebär att det kan användas som ett ultratunt, lätt, flexibelt och effektivt EMI-avskärmningsmaterial för applikationer inom många områden, inklusive flyg- och rymdteknik samt elektronik och optoelektronik.
Läs de mest betydande och spännande framstegen inom materialvetenskap i denna nya tidskrift med öppen tillgång.
Physics World representerar en viktig del av IOP Publishings uppdrag att kommunicera forskning och innovation i världsklass till största möjliga publik. Webbplatsen är en del av Physics World-portföljen, en samling online-, digital- och tryckinformationstjänster för det globala forskarsamhället.
Posttid: maj-07-2020