Microgolfcommunicatie is alomtegenwoordig in de moderne wereld, met elektromagnetische golven in het bereik van tientallen gigahertz die zorgen voor een efficiënte transmissie met grote bandbreedte voor dataverbindingen tussen satellieten in een baan om de aarde en grondstations. Dergelijke draadloze communicatie met ultrahoge frequentie is nu zo gewoon, met als gevolg een verdringing van de spectrale banden die aan verschillende communicatiekanalen zijn toegewezen, dat interferentie en elektromagnetische compatibiliteit (EMC) ernstige zorgen baren.

Regels voor EMC schrijven voor dat nieuwe apparatuur moet voldoen aan strenge eisen met betrekking tot microgolfafscherming van zowel componenten als systemen. Dit drijft een zoektocht naar nieuwe materialen om te gebruiken als coatinglagen, schilden en filters in toekomstige nano-elektronische apparaten.

Het afschermen van elektronische apparaten met een barrière die eenvoudig inkomende microgolfstraling reflecteert, verschuift het probleem van elektromagnetische vervuiling alleen maar naar elders. De onderzoeksfocus ligt daarom op het ontwikkelen van EMC-coatings die microgolven absorberen in plaats van reflecteren. met een praktische nadruk op lagen van minder dan een duizendste millimeter dik.

Een team van natuurkundigen onder leiding van Philippe Lambin van de Université de Namur in België heeft ontdekt dat een grafeenvlak een effectief absorberend schild tegen microgolven kan bieden. De resultaten van de studie, de belangrijkste bijdragers zijn Konstantin Batrakov en Polina Kuzhir, beide van de Wit-Russische Staatsuniversiteit in Minsk, worden gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschappelijke rapporten . Alle acht auteurs maken deel uit van het Graphene Flagship, een consortium van academische en industriële partners dat zich richt op de noodzaak voor Europa om de grote wetenschappelijke en technologische uitdagingen aan te pakken door middel van langetermijn, multidisciplinaire onderzoeksinspanningen.

Lambin en zijn collega's toonden aan dat de geleidbaarheid van verschillende grafeenlagen rekenkundig wordt toegevoegd wanneer dunne polymeerafstandhouders ze scheiden. Maximale microgolfabsorptie in de Ka-communicatieband tussen 26,5 en 40 GHz wordt bereikt met zes grafeenvlakken gescheiden door lagen polymethylmethacrylaat (PMMA), een transparante kunststof ook wel acrylglas genoemd.

Meerlagige microgolfbarrières, gebouwd door onderzoekers van de Joensuu University in Finland, beginnen met een eerste grafeenlaag die door chemische dampafzetting op een koperfoliesubstraat wordt afgezet. Deze laag wordt vervolgens bedekt met een PMMA-afstandhouder van 600-800 nanometer verkregen door spincoating, waarna het koper wordt weggeëtst met ijzerchloride, en de grafeen/PMMA-heterostructuur overgebracht naar een kwartssubstraat. De procedure wordt herhaald totdat het vereiste aantal grafeenlagen is bereikt.

Een enkele laag grafeen kan tot 25% van de invallende microgolfstraling absorberen, wat veel is voor een materiaal van één atoom dik. Met een meerlaagse grafeen/PMMA-opstelling, de absorptie stijgt tot 50%. Dit kan worden begrepen door de transmissie en reflectie van een vlakke golf op het grensvlak tussen twee diëlektrische media te analyseren, wanneer de interface een oneindig dunne geleidende laag bevat. Op deze manier, de onderzoekers waren in staat om hun grafeen-PMMA-structuren te optimaliseren voor maximale absorptie, met de resultaten bevestigd door strenge elektromagnetische testen.

Bovendien, merkt Lambin op, er is de interface tussen het afschermingsmateriaal en de lucht om te overwegen ...

"We hebben ontdekt dat de statische geleidbaarheid van grafeen dicht bij de waarde ligt die de magnetische en elektrische velden relateert in elke elektromagnetische straling die zich in de lucht voortplant. Dankzij dit gelukkige toeval, grafeen is een ideaal materiaal voor het absorberen van radiogolven, waardoor gevoelige elektronische apparaten worden beschermd."

Het idee om grafeen/diëlektrische meerlagen te gebruiken voor de absorptie van elektromagnetische golven is niet nieuw. Bijvoorbeeld, een paar jaar geleden is er een theoretisch voorstel gepubliceerd voor een ultrabreedbandabsorberende meerlaagse laag die actief is in de terahertz-regio, veel hoger dan de Ka-communicatieband die hier wordt besproken.

Een meerlagig terahertz-schild zou een complexe aangelegenheid zijn, met zijn grafeenvlakken in een patroon op micronschaal om oppervlakteplasmonresonanties te genereren - oscillaties in de elektronen die zich voortplanten langs de grensvlakken tussen verschillende materiaallagen. De microgolfbarrière die is ontworpen door het Graphene Flagship-team is relatief eenvoudig in vergelijking, met voordelen op het gebied van fabricage en schaalbaarheid.

In toepassingen in de echte wereld, grafeen/PMMA meerlagen vereisen bescherming tegen externe chemische en mechanische middelen. Het kwartssubstraat moet daarom naar buiten gericht zijn, en te combineren met een zachter materiaal. De keuze en dikte van het gebruikte bovenlaagmateriaal zijn aanvullende parameters die de microgolfabsorptie zullen beïnvloeden.

De processchaalbaarheid zal aanzienlijk toenemen als stapels van grafeen met weinig lagen in één stap worden gedeponeerd, in plaats van grafeenmonolagen op te stapelen met hun PMMA-shuttles. In aanvulling, elk proces dat de geleidbaarheid van grafeen verhoogt, zal het aantal atomaire vlakken verminderen dat nodig is om het niveau van microgolfabsorptie te maximaliseren.