ฟิล์มกราไฟท์ที่เติบโตอย่างรวดเร็วจะปิดกั้นรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า

ขอบคุณสำหรับการลงทะเบียนกับ Physics World หากคุณต้องการเปลี่ยนแปลงรายละเอียดของคุณเมื่อใดก็ได้ โปรดไปที่บัญชีของฉัน

ฟิล์มกราไฟท์สามารถป้องกันอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จากรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า (EM) ได้ แต่เทคนิคการผลิตในปัจจุบันใช้เวลาหลายชั่วโมงและต้องใช้อุณหภูมิในการประมวลผลประมาณ 3000 °C ทีมนักวิจัยจากห้องปฏิบัติการวิทยาศาสตร์วัสดุแห่งชาติเสิ่นหยาง สถาบันวิทยาศาสตร์จีน ได้สาธิตทางเลือกอื่นในการผลิตฟิล์มกราไฟท์คุณภาพสูงในเวลาเพียงไม่กี่วินาที โดยการดับแผ่นฟอยล์นิกเกิลร้อนในเอธานอล อัตราการเติบโตของฟิล์มเหล่านี้สูงกว่าวิธีการที่มีอยู่มากกว่าสองเท่า และค่าการนำไฟฟ้าและความแข็งแรงเชิงกลของฟิล์มก็เทียบได้กับฟิล์มที่ผลิตโดยใช้การสะสมไอสารเคมี (CVD)

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมดผลิตรังสี EM บางส่วน เมื่ออุปกรณ์มีขนาดเล็กลงและทำงานที่ความถี่สูงขึ้นเรื่อยๆ โอกาสที่จะเกิดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ก็เพิ่มมากขึ้น และอาจส่งผลเสียต่อประสิทธิภาพของอุปกรณ์ตลอดจนระบบอิเล็กทรอนิกส์ในบริเวณใกล้เคียง

กราไฟท์เป็นคาร์บอนที่ถูกสร้างขึ้นจากชั้นของกราฟีนที่ยึดติดกันโดยแรงของแวน เดอร์ วาลส์ มีคุณสมบัติทางไฟฟ้า ความร้อน และทางกลที่น่าทึ่งหลายประการ ทำให้เป็นเกราะป้องกัน EMI ที่มีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม มันจะต้องอยู่ในรูปของฟิล์มบางมากจึงจะมีความนำไฟฟ้าสูง ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการใช้งาน EMI ในทางปฏิบัติ เพราะนั่นหมายความว่าวัสดุสามารถสะท้อนและดูดซับคลื่น EM ขณะที่พวกมันทำปฏิกิริยากับตัวพาประจุภายใน มัน.

ปัจจุบัน วิธีการหลักในการผลิตฟิล์มกราไฟท์เกี่ยวข้องกับการไพโรไลซิสที่อุณหภูมิสูงของอะโรมาติกโพลีเมอร์ หรือการซ้อนกราฟีนออกไซด์ (GO) หรือนาโนชีตกราฟีนทีละชั้น กระบวนการทั้งสองต้องการอุณหภูมิสูงประมาณ 3000 °C และเวลาดำเนินการหนึ่งชั่วโมง ใน CVD อุณหภูมิที่ต้องการจะต่ำกว่า (ระหว่าง 700 ถึง 1300 °C) แต่จะใช้เวลาสองสามชั่วโมงในการสร้างฟิล์มที่มีความหนานาโนเมตร แม้จะอยู่ในสุญญากาศก็ตาม

ทีมงานที่นำโดย Wencai Ren ได้ผลิตฟิล์มกราไฟท์คุณภาพสูงที่มีความหนาหลายสิบนาโนเมตรภายในไม่กี่วินาทีโดยการให้ความร้อนฟอยล์นิกเกิลถึง 1,200 °C ในบรรยากาศอาร์กอน จากนั้นจึงจุ่มฟอยล์นี้ในเอทานอลอย่างรวดเร็วที่อุณหภูมิ 0 °C อะตอมของคาร์บอนที่เกิดจากการสลายตัวของเอทานอลจะกระจายและละลายเป็นนิกเกิลเนื่องจากมีความสามารถในการละลายของคาร์บอนสูง (0.4 wt% ที่ 1200 °C) เนื่องจากความสามารถในการละลายของคาร์บอนลดลงอย่างมากที่อุณหภูมิต่ำ อะตอมของคาร์บอนจึงแยกตัวและตกตะกอนจากพื้นผิวนิกเกิลในระหว่างการชุบแข็ง ทำให้เกิดฟิล์มกราไฟท์หนา นักวิจัยรายงานว่ากิจกรรมการเร่งปฏิกิริยาที่ดีเยี่ยมของนิกเกิลยังช่วยในการสร้างกราไฟท์ที่มีผลึกสูงอีกด้วย

Ren และเพื่อนร่วมงานใช้กล้องจุลทรรศน์ส่องผ่านความละเอียดสูง การเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ และรามานสเปกโทรสโกปี พบว่ากราไฟท์ที่พวกเขาผลิตมีผลึกสูงในพื้นที่ขนาดใหญ่ มีชั้นดี และไม่มีข้อบกพร่องที่มองเห็นได้ ค่าการนำไฟฟ้าของอิเล็กตรอนของฟิล์มสูงถึง 2.6 x 105 S/m ซึ่งคล้ายกับฟิล์มที่ปลูกโดย CVD หรือเทคนิคที่อุณหภูมิสูงและการกดฟิล์ม GO/กราฟีน

เพื่อทดสอบว่าวัสดุสามารถป้องกันรังสี EM ได้ดีเพียงใด ทีมงานได้ถ่ายโอนฟิล์มที่มีพื้นที่ผิว 600 มม.2 ไปบนพื้นผิวที่ทำจากโพลีเอทิลีนเทเรฟทาเลต (PET) จากนั้นจึงวัดประสิทธิภาพการป้องกัน EMI (SE) ของภาพยนตร์ในช่วงความถี่ X-band ระหว่าง 8.2 ถึง 12.4 GHz พวกเขาพบ EMI SE มากกว่า 14.92 dB สำหรับฟิล์มที่มีความหนาประมาณ 77 นาโนเมตร ค่านี้จะเพิ่มขึ้นเป็นมากกว่า 20 dB (ค่าต่ำสุดที่จำเป็นสำหรับการใช้งานเชิงพาณิชย์) ในแถบ X-band ทั้งหมด เมื่อวางฟิล์มซ้อนกันมากขึ้น แท้จริงแล้ว ฟิล์มที่ประกอบด้วยฟิล์มกราไฟท์ซ้อนกันห้าแผ่น (ความหนารวมประมาณ 385 นาโนเมตร) มี EMI SE ประมาณ 28 dB ซึ่งหมายความว่าวัสดุสามารถปิดกั้นรังสีที่ตกกระทบได้ 99.84% โดยรวมแล้ว ทีมงานวัดการป้องกัน EMI ที่ 481,000 dB/cm2/g ทั่วทั้ง X-band ซึ่งมีประสิทธิภาพเหนือกว่าวัสดุสังเคราะห์ที่รายงานไว้ก่อนหน้านี้ทั้งหมด

นักวิจัยกล่าวว่าเท่าที่ทราบ ฟิล์มกราไฟต์ของพวกเขาบางที่สุดในบรรดาวัสดุป้องกันที่มีการรายงาน โดยมีประสิทธิภาพการป้องกัน EMI ที่สามารถตอบสนองข้อกำหนดสำหรับการใช้งานเชิงพาณิชย์ คุณสมบัติทางกลยังดีอีกด้วย ความต้านทานการแตกหักของวัสดุประมาณ 110 MPa (สกัดจากเส้นโค้งความเค้น-ความเครียดของวัสดุที่วางอยู่บนส่วนรองรับโพลีคาร์บอเนต) สูงกว่าฟิล์มกราไฟท์ที่ปลูกโดยวิธีอื่น ฟิล์มมีความยืดหยุ่นเช่นกัน และสามารถโค้งงอได้ 1,000 ครั้งด้วยรัศมีการโค้งงอ 5 มม. โดยไม่สูญเสียคุณสมบัติการป้องกัน EMI นอกจากนี้ยังมีความเสถียรทางความร้อนสูงถึง 550 °C ทีมงานเชื่อว่าคุณสมบัติเหล่านี้และคุณสมบัติอื่นๆ หมายความว่าสามารถใช้เป็นวัสดุป้องกัน EMI ที่บางเฉียบ น้ำหนักเบา ยืดหยุ่น และมีประสิทธิภาพสำหรับการใช้งานในหลายพื้นที่ รวมถึงการบินและอวกาศ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ และออปโตอิเล็กทรอนิกส์

อ่านความก้าวหน้าที่สำคัญและน่าตื่นเต้นที่สุดในสาขาวัสดุศาสตร์ในวารสาร open access ฉบับใหม่นี้

Physics World เป็นส่วนสำคัญของภารกิจของ IOP Publishing ในการสื่อสารการวิจัยและนวัตกรรมระดับโลกแก่ผู้ชมในวงกว้างที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ เว็บไซต์นี้เป็นส่วนหนึ่งของผลงาน Physics World ซึ่งเป็นคอลเลกชันบริการข้อมูลออนไลน์ ดิจิทัล และสิ่งพิมพ์สำหรับชุมชนวิทยาศาสตร์ทั่วโลก