Mikrovågskommunikation är allestädes närvarande i den moderna världen, med elektromagnetiska vågor i tiotals gigahertz intervall som ger effektiv överföring med bred bandbredd för datalänkar mellan satelliter som kretsar runt jorden och markstationer. Sådan ultrahögfrekvent trådlös kommunikation är nu så vanlig, med en resulterande trängsel av spektralbanden allokerade till olika kommunikationskanaler, att störningar och elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) är allvarliga problem.
Regler som styr EMC kräver att ny utrustning uppfyller stränga krav gällande mikrovågsavskärmning av både komponenter och system. Detta driver ett sökande efter nya material som ska användas som beläggningsskikt, sköldar och filter i framtida nanoelektroniska enheter.
Att avskärma elektroniska enheter med en barriär som helt enkelt reflekterar inkommande mikrovågsstrålning flyttar bara det elektromagnetiska föroreningsproblemet någon annanstans. Forskningsfokus ligger därför på att utveckla EMC-beläggningar som absorberar snarare än reflekterar mikrovågor, med praktisk tonvikt på lager mindre än en tusendels millimeter tjocka.
Ett team av fysiker ledda av Philippe Lambin från Université de Namur i Belgien har funnit att ett grafenplan kan ge en effektiv absorberande sköld mot mikrovågor. Resultaten av studien, de viktigaste bidragsgivarna är Konstantin Batrakov och Polina Kuzhir, båda från Belarussian State University i Minsk, publiceras i tidskriften Vetenskapliga rapporter . Alla åtta författarna är en del av Graphene Flagship, ett konsortium av akademiska och industriella partners som fokuserar på behovet för Europa att ta itu med de stora vetenskapliga och tekniska utmaningarna på lång sikt, tvärvetenskapliga forskningsinsatser.
Lambin och hans kollegor visade att ledningsförmågan hos flera grafenlager ökar aritmetiskt när tunna polymerdistanser separerar dem. Maximal mikrovågsabsorption i Ka-kommunikationsbandet mellan 26,5 och 40 GHz uppnås med sex grafenplan separerade av lager av polymetylmetakrylat (PMMA), en genomskinlig plast även känd som akrylglas.
Flerskiktiga mikrovågsbarriärer konstruerade av forskare baserade vid Joensuu universitet i Finland börjar med ett första grafenskikt som avsatts på ett kopparfoliesubstrat genom kemisk ångavsättning. Detta skikt täcks sedan med en 600-800 nanometer PMMA-distanshållare erhållen genom spinnbeläggning, varefter kopparn etsas bort med järnklorid, och grafen/PMMA-heterostrukturen överförd till ett kvartssubstrat. Proceduren upprepas tills det erforderliga antalet grafenlager uppnås.
Ett enda lager grafen kan absorbera upp till 25 % av infallande mikrovågsstrålning, vilket är mycket för ett enatomtjockt material. Med ett flerlagers grafen/PMMA-arrangemang, absorptionen stiger till 50%. Detta kan förstås genom att analysera transmissionen och reflektionen av en plan våg vid gränssnittet mellan två dielektriska medier, när gränssnittet innehåller ett oändligt tunt ledande skikt. På det här sättet, forskarna kunde optimera sina grafen-PMMA-strukturer för maximal absorption, med resultaten bekräftade av rigorösa elektromagnetiska tester.
Dessutom, konstaterar Lambin, det finns gränssnittet mellan skärmningsmaterialet och luften att ta hänsyn till...
"Vi har funnit att den statiska ledningsförmågan hos grafen ligger nära det värde som relaterar de magnetiska och elektriska fälten i all elektromagnetisk strålning som utbreder sig i luften. Tack vare detta lyckliga sammanträffande, grafen är ett idealiskt material för att absorbera radiovågor, på så sätt skyddar känsliga elektroniska enheter."
Tanken på att använda grafen/dielektriska flerskikt för elektromagnetisk vågabsorption är inte ny. Till exempel, för några år sedan publicerades ett teoretiskt förslag för ett ultrabredbandsabsorberande flerskikt som verkar i terahertz-regionen, mycket högre än Ka-kommunikationsbandet som diskuteras här.
En flerlagers terahertzsköld skulle vara en komplex affär, med sina grafenplan mönstrade i mikronskala för att generera ytplasmonresonanser – svängningar i elektronerna som fortplantar sig längs gränsytan mellan olika materialskikt. Mikrovågsbarriären som tagits fram av Graphene Flagship-teamet är relativt enkel i jämförelse, med fördelar vad gäller tillverkning och skalbarhet.
I verkliga applikationer, flerskikt av grafen/PMMA kräver skydd mot yttre kemiska och mekaniska ämnen. Kvartssubstratet bör därför vända utåt, och kombineras med ett mjukare material. Valet och tjockleken på överskiktsmaterial som används är ytterligare parametrar som kommer att påverka mikrovågsabsorbansen.
Processens skalbarhet kommer att öka avsevärt om staplar av fålagers grafen deponeras i ett steg, istället för att stapla upp grafenmonoskikt med sina PMMA-skyttlar. Dessutom, varje process som höjer grafenens ledningsförmåga kommer att minska antalet atomplan som krävs för att maximera nivån av mikrovågsabsorption.
