Absorboivaa EMI-suojausta

Drexelin ja KIST:n tutkijat raportoivat, että uusi MXene-materiaali, titaani-hiilinitridi, voi suojata sähkömagneettisilta häiriöiltä paremmin kuin elektroniikkalaitteissa tällä hetkellä käytettävät materiaalit.

(3.8.2020) Drexel-yliopiston tutkijoiden uusin löytö on kaksiulotteisen materiaalin poikkeuksellinen sähkömagneettisten häiriöiden (EMI) suojauskyky. Sellainen pystyy absorboimaan sähkömagneettisia häiriöitä sen sijaan, että vain ohjaisi niitä muualle.

Materiaali, nimeltään titaanihiilinitridi (Ti₃CNT_x), on osa Drexelissä kehitettyjä kaksiulotteisia materiaaleja (MXene).

Titaanihiilinitridin poikkeuksellinen piirre on, että se voi blokata ja absorboida sähkömagneettisia häiriöitä tehokkaammin kuin mikään tunnettu materiaali, mukaan lukien metallikalvot, joita nykyisin käytetään EMI-suojauksissa.

"Tämä löytö rikkoo kaikki sähkömagneettisen suojauksen kentässä olleet esteet. Se ei vain osoita suojamateriaalia, joka toimii paremmin kuin kupari, mutta myös uumoilee syntyvää uutta jännittävää fysiikkaa, koska näemme erilliset kaksiulotteiset materiaalit vuorovaikutuksessa sähkömagneettisen säteilyn kanssa eri tavalla kuin metalleissa", kertoo tohtori Yury Gogotsi, Drexelin teknillisen korkeakoulun tiedotteessa.

Hän johti tätä MXene -löydön tekevää tutkimusryhmää, johon kuului myös tutkijoita Korean tiede- ja teknologiainstituutista (KIST).

Gogotsin ryhmä havaitsi, että tutkitut MXene-materiaalit, jotka ovat paljon ohuempia ja kevyempiä kuin kupari, voivat olla melko tehokkaita EMI-suojauksessa. Heidän havaintonsa jo neljä vuotta sitten, osoitti että titaanikarbidiksi kutsuttu MXene osoitti potentiaalia olla yhtä tehokas kuin teollisuuden standardimateriaalit tuolloin ja se voitiin levittää helposti pinnoitteeksi.

Mutta kun nyt tutkijat jatkoivat muiden tämän materiaaliperheen jäsenten tarkastelemista tätä sovellusaluetta ajatellen, he paljastivat titaanihiilinitridin ainutlaatuiset ominaisuudet, jotka tekevät siitä vielä lupaavamman ehdokkaan EMI-suojaussovelluksiin.

Titaanihiilinitridillä on hyvin samankaltainen rakenne kuin titaanikarbidilla mutta puolet sen hiiliatomeista korvataan typpiatomeilla ja se on suunnilleen yhtä luokkaa vähemmän johtava", kertoo tohtoritukija Kanit Hantanasirisakul. "Joten halusimme saada perusteellisen käsityksen johtavuuden ja alkuainekoostumuksen vaikutuksista EMI-suojauksen sovelluksiin."

Ryhmä teki testisarjan avulla hätkähdyttävän löydön. Nimittäin, että titaanihiilinitridimateriaalista valmistettu kalvo voisi tosiasiallisesti estää EMI-häiriöitä noin 3–5 kertaa tehokkaammin kuin vastaava paksuus kuparifoliota.

Ehkä merkityksellisempi kuin ryhmän löytämä materiaalin suojauskyky on heidän uusi käsitys sen käytöstä. Useimmat EMI-suojamateriaalit estävät yksinkertaisesti sähkömagneettisten aaltojen tunkeutumisen heijastamalla sitä pois. Vaikka tämä on tehokas tapa, se ei lievitä EMI:n leviämisen yleistä ongelmaa ympäristössä. Gogotsin ryhmä havaitsi, että titaanihiilinitridi tosiasiallisesti estää EMI:ä absorboimalla sähkömagneettisia aaltoja.

"Tämä on paljon kestävämpi tapa käsitellä sähkömagneettista pilaantumista kuin pelkästään pois heijastettu aalto", Hantanasirisakul toteaa. "Huomasimme, että suurin osa aalloista absorboituu kerrostetuissa hiilinitridikalvoissa. Tämä tarkoittaa myös, että titaani hiilinitridiä voitaisiin käyttää komponenttien päällystämiseen erikseen laitteen sisällä niiden EMI:n hillitsemiseksi silloinkin, kun ne on sijoitettu tiiviisti toisiinsa nähden.

Tutkijat arvelevat, että titaani hiilinitridin ainutlaatuisuus johtuu sen kerroksellisesta ja huokoisesta rakenteesta, jonka avulla EMI voi tunkeutua osittain materiaaliin ja sen kemiallisesta koostumuksesta, joka ansoittaa ja hajottaa EMI-aaltoja.

"Se oli vastaintuitiivinen havainto. Tyypillisesti EMI-suojauksen tehokkuus kasvaa sähkönjohtavuuden myötä. Tiesimme, että lämpökäsittely voi lisätä johtavuutta, joten yritimme titaanihiilinitridin kanssa nähdä, parantaisiko se suojausominaisuuksiaan. Havaitsimme, että se paransi vain jonkin verran johtavuuttaan, mutta lisäsi huomattavasti suojaustehokkuuttaan", Gogotsi kertoo.

Aiheesta aiemmin: Häiriöt kuriin ohuemmilla suojilla