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University of California, Riverside

Isolierende Folie schirmt auch vor EMV-Strahlung

24. Februar 2021, 17:30 Uhr   |  Ralf Higgelke

Isolierende Folie schirmt auch vor EMV-Strahlung
© Zahra Barani

Eine flexible Polymerfolie, die mit Bündeln nadelartiger Fäden aus eindimensionalem TaSe3 gefüllt ist, schirmt Elektronik vor elektromagnetischen Störungen ab und isoliert elektrisch.

Eigentlich ist es ein Widerspruch in sich: eine dünne Polymerfolie, die sowohl elektrisch isoliert als auch vor EMV-Strahlung schirmt. Doch genau so etwas haben nun Forschende der University of California, Riverside, entwickelt. Zudem lässt sie sich einfach herstellen.

Elektronische Geräte durchdringen alle Aspekte des öffentlichen und privaten Lebens. Deshalb suchen Ingenieure nach leichten, mechanisch stabilen, flexiblen und einfach herzustellenden Materialien, um Menschen vor übermäßiger elektromagnetischer Strahlung zu schützen und zu verhindern, dass sich elektronische Geräte gegenseitig stören.

In einem Bericht, der in der Fachzeitschrift Advanced Materials erschien, präsentierten Ingenieure der UC Riverside, eine flexible Folie mit einem quasi eindimensionalen Nanomaterial als Füllstoff, die eine elektromagnetische Schirmwirkung von 99,99 Prozent im Gigahertz- und Sub-Terahertz-Bereich mit elektrischer Isolation und einfacher Herstellung kombiniert.

Unter der Leitung von Alexander A. Balandin, außerordentlicher Professor für Elektrotechnik und Computertechnik am Marlan and Rosemary Bourns College of Engineering der UC Riverside, entwickelte ein Forscherteam eine skalierbare Synthese von Verbundwerkstoffen mit ungewöhnlichen Füllstoffen – chemisch abgeschälte (exfolierte) Bündel von quasi-eindimensionalen van-der-Waals-Materialien.

Graphen ist das bekannteste van-der-Waals-Material. Es ist zweidimensional, weil es eine Ebene aus stark gebundenen Atomen bildet. Viele Jahre lang konzentrierte sich die Forschung speziell auf zweidimensionale, geschichtete van-der-Waals-Materialien, die sich in Ebenen von Atomen abschälen lassen.

Eindimensionale van-der-Waals-Materialien

Eindimensionale van-der-Waals-Materialien bestehen aus stark gebundenen atomaren Ketten, die untereinander nur schwach durch van-der-Waals-Kräfte gebunden sind. Solche Materialien schälen sich in nadelartigen eindimensionalen Strukturen ab, statt in zweidimensionalen Ebenen. Die Forschergruppe führte wegweisende Studien an eindimensionalen Metallen durch und belegte deren ungewöhnliche Eigenschaften. In der neuen Arbeit berichtet die Gruppe nun über die Anwendung eines chemischen Prozesses, der sich für die industrielle Massenproduktion dieser eindimensionalen Materialien eignet.

UC Riverside, EMI
© Zahra Barani

Zahra Barani von der UC Riverside stellt quasi-eindimensionales TaSe3-Nanomaterial her.

Die Doktorandin Zahra Barani und Fariboz Kargar, Forschungsprofessor und Projektwissenschaftler am POEM-Zentrum (Phonon Optimized Engineered Materials) von Balandin, synthetisierten die Verbundwerkstoffe, indem sie Übergangsmetall-Trichalkogenide, in diesem Fall TaSe3, ein geschichtetes van-der-Waals-Material mit quasi eindimensionaler Kristallstruktur, mit Chemikalien behandelten. Dadurch bildeten sich nadelförmige, quasi-eindimensionale van-der-Waals-Nanodrähte mit extrem großen Seitenverhältnissen von bis zu 106, also weitaus länger als dick. In früheren Forschungen entdeckte die Gruppe, dass Bündel von quasi-eindimensionalen TaSe3-Atomfäden hohe Stromdichten unterstützen können.

»Es gab keinen Standardprozess für das Abschälen dieser Materialien«, erklärte die Erstautorin Zahra Barani. »Ich habe viele Versuche gemacht und dabei die Spaltungsenergie und andere wichtige Parameter überprüft, um sie mit hoher Ausbeute abzuschälen. Mir war klar, dass der Schlüssel darin liegt, Bündel mit einem möglichst hohen Seitenverhältnis zu erhalten, da elektromagnetische Wellen besser an längere und dünnere Stränge einkoppeln. Das erforderte eine lichtmikroskopische und rasterelektronenmikroskopische Charakterisierung nach jedem Abschälschritt.«

UC Riverside, EMI
© Zahra Barani

Abgeschälte quasi-eindimensionale TaSe3-Nanodrähte als Füllmaterial für einen elektromagnetisch abschirmenden Polymerfilm.

Die Forscher füllten eine Matrix aus einem speziellen Polymer mit Bündeln des abgeschälten TaSe3, um einen dünnen, schwarzen Film zu erhalten. Die synthetisierten Verbundschichten blieben zwar elektrisch isolierend, zeigten jedoch eine außergewöhnliche Wirksamkeit, um elektromagnetische Wellen zu blockieren. Besonders effektiv waren die Polymer-Verbundstoffe, die nur geringe Mengen der Füllstoffe enthielten.

Weniger Füllstoff, größere Wirkung

»Die elektromagnetische Schirmwirkung von Verbundwerkstoffen korreliert mit dem Seitenverhältnis der Füllstoffe«, erklärte Fariboz Kargar. »Je höher dieses Seitenverhältnis ist, umso niedriger konnte der Anteil an Füllstoffen sein, der für eine signifikante elektromagnetische Abschirmung erforderlich ist. Dieser Zusammenhang ist insofern vorteilhaft, als dass man bei einem niedrigeren Füllstoffgehalt die inhärenten Eigenschaften von Polymeren wie geringes Gewicht und Flexibilität ausnutzen kann.«

»Letztendlich gelang es mir, einen Verbundstoff herzustellen und die EMI-Schirmwirkung zu messen«, so Barani weiter. »Die Ergebnisse waren erstaunlich: keinerlei elektrische Leitfähigkeit, aber mehr als 99,99 Prozent EMI-Abschirmung für mikrometerdicke Schichten.«

Die metallischen quasi-eindimensionalen van-der-Waals-Füllstoffe lassen sich kostengünstig und in großen Mengen herstellen. Professor Balandin meinte, dass die Forschung an atomaren Bündeln von quasi-eindimensionalen van-der-Waals-Materialien als Einzelleiter und Verbundwerkstoffen mit solchen Materialien erst am Anfang steht. »Ich bin mir sicher, dass wir bald große Fortschritte mit Quasi-1D-van-der-Waals-Materialien sehen werden, so wie es mit Quasi-2D-Materialien geschehen ist«, meinte er.

Originalpublikation

Barani, Z., et al.; Electrically-Insulating Flexible Films with Quasi-One-Dimensional van-der-Waals Fillers as Efficient Electromagnetic Shields in GHz and Sub-THz Frequency Bands; Adv. Mater. 2021, 2007286. https://doi.org/10.1002/adma.202007286

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