En grafenopløsning til mikrobølgeinterferens

Mikrobølgekommunikation er allestedsnærværende i den moderne verden, med elektromagnetiske bølger i titusvis af gigahertz-området, der giver effektiv transmission med bred båndbredde til dataforbindelser mellem satellitter i kredsløb om jorden og jordstationer. Sådan ultra-højfrekvent trådløs kommunikation er nu så almindelig, med en deraf følgende trængsel af spektralbåndene allokeret til forskellige kommunikationskanaler, at interferens og elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) er alvorlige bekymringer.

Regler for EMC dikterer, at nyt udstyr opfylder strenge krav til mikrobølgeafskærmning af både komponenter og systemer. Dette driver en søgen efter nye materialer til brug som belægningslag, skjolde og filtre i fremtidige nanoelektroniske enheder.

Afskærmning af elektroniske enheder med en barriere, der blot reflekterer indkommende mikrobølgestråling, flytter kun det elektromagnetiske forureningsproblem andre steder. Forskningsfokus er derfor på at udvikle EMC-belægninger, der absorberer snarere end reflekterer mikrobølger, med praktisk vægt på lag mindre end en tusindedel millimeter tykke.

Et hold fysikere ledet af Philippe Lambin fra Université de Namur i Belgien har fundet ud af, at et grafenfly kan give et effektivt absorberende skjold mod mikrobølger. Resultaterne af undersøgelsen, de vigtigste bidragydere er Konstantin Batrakov og Polina Kuzhir, begge fra Belarussian State University i Minsk, er publiceret i tidsskriftet Videnskabelige rapporter . Alle otte forfattere er en del af Graphene Flagship, et konsortium af akademiske og industrielle partnere, der fokuserer på behovet for, at Europa skal løse de store videnskabelige og teknologiske udfordringer gennem langsigtede, tværfaglig forskningsindsats.

Lambin og hans kolleger viste, at ledningsevnen af ​​flere grafenlag tilføjer aritmetisk, når tynde polymerafstandsstykker adskiller dem. Maksimal mikrobølgeabsorption i Ka-kommunikationsbåndet mellem 26,5 og 40 GHz opnås med seks grafenplaner adskilt af lag af polymethylmethacrylat (PMMA), et gennemsigtigt plastik også kendt som akrylglas.

Flerlags mikrobølgebarrierer konstrueret af forskere baseret på Joensuu Universitet i Finland starter med et første grafenlag aflejret på et kobberfoliesubstrat ved kemisk dampaflejring. Dette lag dækkes derefter med en 600-800 nanometer PMMA spacer opnået ved spincoating, hvorefter kobberet ætses væk med jernchlorid, og grafen/PMMA-heterostrukturen overført til et kvartssubstrat. Proceduren gentages, indtil det nødvendige antal grafenlag er nået.

Et enkelt lag grafen kan absorbere op til 25 % af indfaldende mikrobølgestråling, hvilket er meget for et et atom-tykt materiale. Med et flerlags grafen/PMMA arrangement, absorptionen stiger til 50%. Dette kan forstås ved at analysere transmissionen og refleksionen af ​​en plan bølge ved grænsefladen mellem to dielektriske medier, når grænsefladen indeholder et uendeligt tyndt ledende lag. På denne måde forskerne var i stand til at optimere deres grafen-PMMA strukturer for maksimal absorption, med resultaterne bekræftet af strenge elektromagnetiske tests.

I øvrigt, bemærker Lambin, der er grænsefladen mellem afskærmningsmaterialet og luften at overveje...

"Vi har fundet ud af, at den statiske ledningsevne af grafen er tæt på den værdi, der relaterer de magnetiske og elektriske felter i enhver elektromagnetisk stråling, der forplanter sig i luften. Takket være dette lykkelige sammenfald, grafen er et ideelt materiale til at absorbere radiobølger, dermed beskytter følsomme elektroniske enheder."

Ideen om at bruge grafen/dielektriske multilag til elektromagnetisk bølgeabsorption er ikke ny. For eksempel, for et par år siden blev der offentliggjort et teoretisk forslag til et ultrabredbåndsabsorberende flerlag, der opererer i terahertz-regionen, langt højere end Ka-kommunikationsbåndet, der diskuteres her.

Et flerlags terahertz-skjold ville være en kompleks affære, med sine grafenplaner mønstret på mikronskalaen for at generere overfladeplasmonresonanser - svingninger i elektronerne, som forplanter sig langs grænsefladerne mellem forskellige materialelag. Mikrobølgebarrieren udviklet af Graphene Flagship-teamet er relativt enkel til sammenligning, med fordele i forhold til fremstilling og skalerbarhed.

I applikationer fra den virkelige verden, graphene/PMMA flerlag kræver beskyttelse mod eksterne kemiske og mekaniske midler. Kvartsunderlaget skal derfor vende udad, og kombineres med et blødere materiale. Valget og tykkelsen af ​​det anvendte overlagsmateriale er yderligere parametre, som vil påvirke mikrobølgeabsorbansen.

Processkalerbarheden vil stige betydeligt, hvis stakke af få-lags grafen deponeres i ét trin, i stedet for at stable grafen-monolag op med deres PMMA-shuttles. Ud over, enhver proces, der hæver grafens ledningsevne, vil reducere antallet af atomare planer, der kræves for at maksimere niveauet af mikrobølgeabsorption.