DE102013210162B4

DE102013210162B4 - Strukturen auf Graphen-Basis und Verfahren zum Abschirmen elektromagnetischer Strahlung

Info

Publication number: DE102013210162B4
Application number: DE102013210162.7A
Authority: DE
Inventors: Phaedon Avouris; Alberto Valdes Garcia; Chun-Yung Sung; Fengnian Xia; Hugen Yan
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2012-06-14
Filing date: 2013-05-31
Publication date: 2020-01-23
Anticipated expiration: 2033-06-01
Also published as: DE102013210162A1

Abstract

Struktur zum Abschirmen elektromagnetischer Störungen, um elektromagnetische Strahlung abzuschirmen, die bei Frequenzen von einer Quelle emittiert wird, die höher als ein Megahertz sind, wobei diese aufweist:eine oder mehrere dünne Lagen aus Graphen, wobei wenigstens eine der dünnen Lagen aus Graphen mit einem Dotierstoff dotiert ist, der eine Dotierstoffkonzentration in einer Menge aufweist, die dahingehend wirksam ist, dass elektromagnetische Strahlung bei Frequenzen absorbiert wird, die höher als 1 Megahertz sind, wobei die Dotierstoffkonzentration (n) zwischen den Grenzen 10cm> n > 10cmoder 10cm> n > 0 cmliegt.

Description

HINTERGRUND
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf Strukturen und Verfahren zum Abschirmen von elektromagnetischen Wellen unter Verwendung von Graphen und spezieller auf Verfahren und Strukturen von dotierten dünnen Lagen aus Graphen, die so konfiguriert sind, dass die elektromagnetischen Wellen, die von einer elektromagnetische Wellen erzeugenden Quelle emittiert werden, in Abhängigkeit von der Menge an Dotierstoff darin reflektiert und/oder absorbiert werden.
Die Emission elektromagnetischer (EM) Strahlung bei Radio-, Mikrowellen- und Terahertz-Frequenzen ist bekannt dafür, den Betrieb elektronischer Einheiten zu beeinträchtigen und wurde mit verschiedenen Gesundheitsrisiken für Individuen verknüpft, die ihr ausgesetzt sind. Zum Beispiel hat die Weltgesundheitsorganisation vor kurzem bekanntgemacht, dass die Einwirkung von Mikrowellenstrahlung das Risiko für eine Gehirnkrebserkrankung erhöhen kann. Aufgrund von Bedenken wie diesen ist die EM-Strahlung ein ernstes Problem, und es wurden Ansätze entwickelt, um verschiedene abschirmende Materialien und Einheiten bereitzustellen. Am häufigsten verwendete EM-Abschirmungen, die gegenwärtig in Verwendung sind, werden aus metallischen Dünnschichten, metallischen Gitternetzen, metallischen Schaumstoffen oder Pulvern auf Glas- oder Kunststoffsubstraten hergestellt. Ein Beispiel ist ein abgeschirmtes Kabel, das eine elektromagnetische Abschirmung in der Form eines Drahtgeflechts aufweist, das einen inneren Kernleiter umgibt. Die Abschirmung erschwert den Austritt jeglichen Signals aus dem Kernleiter und außerdem eine Zuführung von Signalen zu dem Kernleiter. Einige Kabel weisen zwei separate koaxiale Abschirmungen auf, eine, die an beiden Enden verbunden ist, die andere lediglich an einem Ende, um die Abschirmung sowohl von elektromagnetischen als auch von elektrostatischen Feldern zu maximieren. Ein weiteres Beispiel ist die Tür eines Mikrowellenofens, bei der typischerweise eine metallische Abschirmung in das Fenster eingebaut ist. Vom Gesichtspunkt der Mikrowellen (mit Wellenlängen von 12 cm) her stellt diese Abschirmung in Kombination mit dem Metallgehäuse des Ofens einen Faraday-Käfig bereit. Sichtbares Licht mit Wellenlängen, die in einem Bereich zwischen 400 nm und 700 nm liegen, durchläuft ohne Weiteres die Öffnungen der metallischen Abschirmung, während Mikrowellen innerhalb des Ofens selbst eingegrenzt sind.
Aufgrund des inhärenten Gewichts von metallischen Abschirmungen kann das hinzugefügte Gewicht signifikant sein. Außerdem sind viele der gegenwärtig zur Verfügung stehenden EM-Abschirmungen nicht transparent, was für viele Anwendungen ein signifikanter Nachteil sein kann. Herkömmliche transparente und leitfähige Materialien, wie Indium-Zinn-Oxid (ITO) und Zinkoxid (ZnO) wurden zwecks EM-Abschirmung auf transparenten Substraten, wie Glas und Kunststoffen, angebracht. Die Verwendung dieser Typen von transparenten EM-Abschirmungen ist in ihrer Verwendung jedoch ziemlich beschränkt, da die Abschirmeffektivität dieser Materialien im Allgemeinen gering ist, die Abschirmung selbst typischerweise unflexibel ist und diese Typen von EM-Abschirmungen eine beschränkte mechanische Festigkeit bereitstellen. Das Bereitstellen einer höheren EM-Effektivität mit diesen Typen von Materialien erfordert vergrößerte Dicken, die dann die Transparenz beeinträchtigen.
Daher ist es nützlich, Verfahren und Strukturen für eine substantielle Abschirmung von elektronischen Einheiten bereitzustellen, wobei die Strukturen vergleichsweise leicht sind, mit vergleichsweise geringen Kosten bereitgestellt und in Einheiten eingebaut werden können, während ein geringes Gewicht zu der Einheit hinzugefügt wird, und korrosionsbeständig sind.
Die US 2013 / 0 068 521 A1 betrifft ein Verfahren zur Abschirmung elektromagnetischer Wellen durch Verwendung von Graphen innerhalb oder außerhalb einer Quelle zur Erzeugung elektromagnetischer Wellen und/oder durch Verwendung von Graphen, das auf einem Substrat gebildet ist, und ein elektromagnetisches Abschirmmaterial, das Graphen beinhaltet.
Die US 2012 / 0 080 086 A1 betrifft eine transparente Elektrode auf mindestens einer Oberfläche eines transparenten Substrats. Die transparente Elektrode kann Graphen beinhalten, das mit einem p-Dotiermittel dotiert ist. Die transparente Elektrode kann effizient auf eine Vielzahl von Anzeigegeräten oder Solarzellen aufgebracht werden.
Die US 2011 / 0 278 545 A1 betrifft eine Vorrichtung, die aufweist: eine gestapelte Struktur mit einem ersten Substrat mit einer flachen Oberfläche; eine flache erste Graphenschicht angrenzend an die flache Oberfläche des ersten Substrats; einer flacher zweite Graphenschicht angrenzend an die flache erste Graphenschicht; und ein zweites Substrat mit einer ebenen Oberfläche angrenzend an die flache zweite Graphenschicht. Die US 2011 / 0 278 545 A1 betriff ferner eine Vorrichtung, die aufweist: eine gestapelte Struktur, die ein Substrat mit einer flachen Oberseite aufweist; eine flache untere strukturierte Schicht, die über der flachen Oberseite des Substrats liegt und mindestens eine strukturierte Elektrode aufweist; eine flache untere Graphenschicht, die über der flachen unteren strukturierten Schicht liegt; eine flache obere Graphenschicht, die über der flachen unteren Graphenschicht liegt; und eine flache obere strukturierte Schicht, die über der flachen oberen Graphenschicht liegt und mindestens eine strukturierte Elektrode aufweist.
KURZDARSTELLUNG
Gemäß einer Ausführungsform weist eine Struktur zum Abschirmen elektromagnetischer Störungen, um elektromagnetische Strahlung abzuschirmen, die mit Frequenzen von einer Quelle emittiert wird, die höher als ein Megahertz sind, eine oder mehrere dünne Lagen aus Graphen auf, wobei wenigstens eine der dünnen Lagen aus Graphen mit einem Dotierstoff dotiert ist, der eine Dotierstoffkonzentration in einer Menge aufweist, die dahingehend wirksam ist, dass elektromagnetische Strahlung bei Frequenzen reflektiert wird, die höher als 1 Megahertz sind.
In einer weiteren Ausführungsform weist eine Struktur zum Abschirmen elektromagnetischer Störungen, um elektromagnetische Strahlung abzuschirmen, die bei Frequenzen von einer Quelle emittiert wird, die höher als ein Megahertz sind, eine oder mehrere dünne Lagen aus Graphen auf, wobei wenigstens eine der dünnen Lagen aus Graphen mit einem Dotierstoff dotiert ist, der eine Dotierstoffkonzentration in einer Menge aufweist, die dahingehend wirksam ist, dass elektromagnetische Strahlung bei Frequenzen absorbiert wird, die höher als 1 Megahertz sind.
In einer weiteren Ausführungsform weist eine Struktur zum Abschirmen elektromagnetischer Störungen, um elektromagnetische Strahlung bei Frequenzen abzuschirmen, die höher als ein Megahertz sind, eine oder mehrere dünne Lagen aus Graphen auf, wobei wenigstens eine der einen oder der mehreren dünnen Lagen aus Graphen einen Dotierstoff mit einer Dotierstoffkonzentration aufweist, die dahingehend wirksam ist, dass elektromagnetische Strahlung bei Frequenzen reflektiert und/oder absorbiert wird, die höher als 1 Megahertz sind; und weist ein flexibles Substrat auf, wobei die eine oder die mehreren dünnen Lagen aus Graphen auf dem flexiblen Substrat aufgebracht sind.
Durch die Techniken der vorliegenden Erfindung werden weitere Merkmale und Vorteile realisiert. Weitere Ausführungsformen und Aspekte der Erfindung sind hierin detailliert beschrieben und werden als ein Teil der beanspruchten Erfindung betrachtet. Für ein besseres Verständnis der Erfindung mit Vorteilen und Merkmalen sei auf die Beschreibung und auf die Zeichnungen verwiesen.
Figurenliste
Der Gegenstand, der als die Erfindung angesehen wird, ist in den Ansprüchen am Ende der Beschreibung speziell aufgezeigt und eindeutig beansprucht. Das Vorstehende und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen ersichtlich, in denen:

1 eine elektromagnetische Abschirmstruktur für ein Objekt darstellt, das vor elektromagnetischer Strahlung abzuschirmen ist, wobei die Struktur individuell dotierte dünne Lagen aus Graphen gemäß einer Ausführungsform beinhaltet.
2 eine elektromagnetische Abschirmstruktur für ein Objekt darstellt, das vor elektromagnetischer Strahlung abzuschirmen ist, wobei die Struktur eine dotierte oberste dünne Lage aus Graphen gemäß einer Ausführungsform beinhaltet.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Hierin sind elektromagnetische Abschirmstrukturen und Verfahren zum Abschirmen von elektromagnetischer Strahlung offenbart, die von einer elektromagnetischen Strahlungsquelle emittiert wird. Die elektromagnetischen Abschirmstrukturen werden im Allgemeinen aus einer oder mehreren dünnen Lagen aus dotiertem Graphen gebildet.
Graphen ist eine zweidimensionale allotrope Form von Kohlenstoffatomen, die in einer planaren, hexagonalen Struktur angeordnet sind. Sie zeichnet sich durch nützliche elektronische Eigenschaften aus, die Bipolarität, hohe Reinheit, hohe Beweglichkeit und hohe kritische Stromdichte beinhalten. Es wurden Werte der Elektronenbeweglichkeit von bis zu 200.000 cm²/Vs bei Raumtemperatur berichtet.
Strukturell weist Graphen Hybridorbitale auf, die durch sp2-Hybridisierung gebildet sind. Bei der sp2-Hybridisierung mischen sich das 2s-Orbital und zwei der drei 2p-Orbitale, um drei sp2-Orbitale zu bilden. Das eine verbleibende p-Orbital bildet eine Pi-Bindung zwischen den Kohlenstoffatomen. Ähnlich der Struktur von Benzol weist die Struktur von Graphen einen konjugierten Ring der p-Orbitale auf, der eine Stabilisierung zeigt, die stärker ist, als durch die alleinige Stabilisierung der Konjugation zu erwarten wäre, d.h. die Struktur von Graphen ist aromatisch. Anders als andere allotrope Formen von Kohlenstoff, wie Diamant, amorpher Kohlenstoff, Kohlenstoff-Nanoschaumstoff oder Fullerene, ist Graphen keine allotrope Form von Kohlenstoff, da die Dicke von Graphen eine atomare Kohlenstoffschicht ist, d.h. eine dünne Lage aus Graphen bildet keinen dreidimensionalen Kristall. Es können jedoch mehrere dünne Lagen aus Graphen gestapelt sein. Eine typische „Schicht“ aus Graphen kann eine einzelne dünne Lage oder mehrere dünne Lagen aus Graphen aufweisen, zum Beispiel zwischen 1 dünnen Lage und 10 dünnen Lagen.
Graphen weist eine ungewöhnliche Bandstruktur auf, bei der sich konische Elektronen- und Loch-Taschen lediglich an den K-Punkten der Brillouin-Zone im Impulsraum treffen. Die Energie der Ladungsträger, d.h. der Elektronen oder Löcher, weist eine lineare Abhängigkeit von dem Impuls der Träger auf. Als eine Folge verhalten sich die Träger wie relativistische Dirac-Fermionen, die eine effektive Masse von Null aufweisen und sich mit einer effektiven Lichtgeschwindigkeit bewegen. Ihr relativistisches quantenmechanisches Verhalten ist durch die Dirac-Gleichung bestimmt. Als eine Folge weisen dünne Lagen aus Graphen eine hohe Trägerbeweglichkeit von bis zu 60.000 cm²/V-sec bei 4 K auf. Bei 300 K beträgt die Trägerbeweglichkeit etwa 15.000 cm²/V-sec. Außerdem wurde der Quanten-Hall-Effekt in dünnen Lagen aus Graphen beobachtet.
Durch Dotieren der dünnen Lagen aus Graphen kann aufgrund von Pauli-Blockung eine höhere Trägerabsorption erreicht werden, ebenso wie eine höhere Transparenz im nahen Infrarotbereich und im sichtbaren Wellenlängenbereich.
Vorteilhafterweise stellen die elektromagnetischen Abschirmstrukturen gemäß der vorliegenden Offenbarung eine effektive Abschirmung mittels Reflexion und/oder Absorption in einem Frequenzbereich von etwa 1 Megahertz bis etwa einigen hundert Gigahertz bereit, was eine signifikante Verbesserung gegenüber früheren elektromagnetischen Abschirmmaterialien darstellt. Da Graphen außerdem eine dünne Lage aus einer Monoschicht von einem Atom Dicke ist, die aus Kohlenstoffatomen gebildet ist, die in einem kristallinen Wabengitter gepackt sind, wobei jedes Kohlenstoffatom über eine sp²-Bindung an drei benachbarte Kohlenstoffatome gebunden ist, liegt die Gesamtdicke, die zur Bereitstellung einer Abschirmeffektivität von > 40 Dezibel (dB) erforderlich ist, zum Beispiel in der Größenordnung von wenigen Nanometern. Und des Weiteren wird die Abschirmeffektivität durch Dotieren der dünnen Lagen aus Graphen erhöht. Derart stellt die Verwendung einer dotierten dünnen Lage (von dotierten dünnen Lagen) aus Graphen ein minimales zusätzliches Gewicht zu dem abzuschirmenden Objekt bereit, weist Fähigkeiten hinsichtlich Breitbandabsorption auf und stellt eine größere Vielseitigkeit als Funktion seiner (ihrer) Dotierung bereit. Außerdem ist Graphen allgemein für seine hohe mechanische Festigkeit und hohe Stabilität anerkannt. Im Gegensatz dazu erfordern frühere elektromagnetische Abschirmmaterialien eine vergrößerte Dicke, um die Abschirmeffektivität zu erhöhen. In der vorliegenden Offenbarung stellt ein Erhöhen des Dotierniveaus für eine gegebene Dicke von gestapelten dünnen Lagen aus Graphit eine erhöhte Abschirmeffektivität bereit.
Die dünnen Lagen aus Graphen können mittels irgendeines geeigneten, auf dem Fachgebiet bekannten Prozesses hergestellt werden. Zum Beispiel kann Graphen mittels Festkörper-Graphitisierung gebildet werden, d.h. mittels Sublimieren von Siliciumatomen von einer Oberfläche einer Siliciumcarbidoberfläche, wie einer (001)-Oberfläche. Bei etwa 1.150 °C beginnt bei einem Anfangsstadium der Graphitisierung eine komplexe Struktur einer Oberflächenrekonstruktion zu erscheinen. Typischerweise ist eine höhere Temperatur notwendig, um eine Schicht aus Graphen zu bilden.
Die Bildung einer Schicht aus Graphen auf einem anderen Material ist auf dem Fachgebiet bekannt. Zum Beispiel kann (können) eine einzelne oder mehrere Schicht(en) aus Graphen mittels Sublimationsspaltung einer Oberflächenschicht eines Siliciumcarbidmaterials auf einem Substrat aus Siliciumcarbid gebildet werden.
Das US-Patent Nr. 7 071 258 von Jang et al. sowie das US-Patent Nr. 6 869 581 von Kishi et al. beschreiben bekannte Eigenschaften und Verfahren zum Bilden von Schichten aus Graphen, deren Inhalte durch Verweis aufgenommen sind. Des Weiteren beschreiben die US Pat. Application Publication No 2006/00099750 von DeHeer et al. sowie das US-Patent Nr. 7 015 142 von DeHeer et al. Verfahren zum Bilden einer Schicht aus Graphen.
Das Graphen kann auf einem Substrat gebildet werden, wie es bei einigen Anwendungen gewünscht sein kann. Es ist nicht beabsichtigt, dass das spezielle Substrat beschränkt ist, und es kann sogar die elektromagnetische Strahlungsquelle selbst beinhalten. In einer Ausführungsform ist das Substrat transparent. In weiteren Ausführungsformen ist das Substrat flexibel. In noch weiteren Ausführungsformen ist das Substrat sowohl flexibel als auch transparent. Desgleichen ist es nicht beabsichtigt, dass die Form des Substrats beschränkt ist. Zum Beispiel kann das Substrat planare und/oder gekrümmte Oberflächen aufweisen, wie sie in Folien, Platten, Röhren und dergleichen zu finden sind. Außerdem ist es nicht beabsichtigt, dass das Material des Substrats beschränkt ist. Geeignete Materialien beinhalten Kunststoffe, Metalle und dergleichen.
Lediglich als ein Beispiel kann eine chemische Gasphasenabscheidung (CVD) auf ein Metall(d.h. Folien)-Substrat zur Bildung der dünnen Lagen aus Graphen verwendet werden. Siehe zum Beispiel Li et al., „Large-Area Synthesis of High-Quality and Uniform Graphene Films on Copper Foils," Science, 324, Seiten 1312 bis 1314 (2009) (im Folgenden „Li“) sowie Kim et al., „Large-Scale Pattern Growth of Graphene Films for Stretchable Transparent Electrodes," Nature, Bd. 457, Seiten 706 bis 710 (2009) (im Folgenden „Kim“), deren Inhalte durch Verweis hierin aufgenommen sind. Zur Bildung der dünnen Lagen aus Graphen kann auch eine chemische Abblätterung verwendet werden. Diese Techniken sind dem Fachmann bekannt und werden somit hierin nicht weiter beschrieben. Die dünnen Lagen aus Graphen weisen so, wie sie hergestellt sind, in Abhängigkeit von dem Herstellungsprozess typischerweise einen Flächenwiderstand von etwa 250 Ohm pro Quadrat (Ohm/Quadrat) bis etwa 4.000 Ohm/Quadrat auf.
Nach der Bildung der dünnen Lagen aus Graphen können die dünnen Lagen unter Verwendung herkömmlicher Abhebe-Techniken auf einem Substrat aufgebracht werden. Im Allgemeinen werden die dünnen Lagen eine auf der anderen aufgebracht, um die Dünnschicht zu bilden. So kann die Dünnschicht aus Graphen, lediglich als ein Beispiel, einen Stapel aus mehreren dünnen Lagen (auch als Schichten bezeichnet) aus Graphen aufweisen. Der Ausdruck „Substrat“ wird verwendet, um allgemein auf irgendein geeignetes Substrat Bezug zu nehmen, auf dem das Aufbringen einer Dünnschicht aus Graphen gewünscht ist. Lediglich als ein Beispiel kann das Substrat ein abzuschirmendes Objekt sein oder kann eine flexible Dünnschicht sein, die optional transparent sein kann. Die flexible Dünnschicht kann dann auf dem abzuschirmenden Objekt angebracht werden.
Der Schritt des Kombinierens der dotierten Dünnschicht aus Graphen mit einem oder mehreren strukturellen Materialien zur Bildung eines Verbundmaterials kann unter Verwendung einer Vielfalt von auf dem Fachgebiet bekannten Techniken durchgeführt werden, welche die Unversehrtheit der Dünnschicht aus Graphen geeignet erhalten. Eine breite Vielfalt von strukturellen Materialien ist zur Verwendung beim Aufbau des Verbundmaterials vorstellbar. In einer Ausführungsform können die strukturellen Materialien im Wesentlichen jegliches gering leitfähige Substrat oder jegliche gering leitfähige Struktur beinhalten. Zum Beispiel kann das strukturelle Material Schaumstoffe, Honigwabenmuster, Glasfaserlaminate, Kevlar-Faserverbundwerkstoffe, polymere Materialien oder Kombinationen derselben beinhalten. Nicht-beschränkende Beispiele für geeignete strukturelle Materialien beinhalten Polyurethane, Silicone, Fluorsilicone, Polycarbonate, Ethylenvinylacetate, Acrylnitril-Butadien-Styrole, Polysulfone, Acryle, Polyvinylchloride, Polyphenylen-Ether, Polystyrole, Polyamide, Nylon, Polyolefine, Polyetheretherketone, Polyimide, Polyetherimide, Polybutylenterephthalate, Polyethylenterephthalate, Fluorpolymere, Polyester, Acetale, Flüssigkristallpolymere, Polymethylacrylate, Polyphenylenoxide, Polystyrole, Epoxide, Phenole, Chlorsulfonate, Polybutadiene, Buna-N, Butyle, Neoprene, Nitrile, Polyisoprene, Naturkautschuk und Copolymer-Kautschuk, wie Styrol-Isopren-Styrole, StyrolButadien-Styrole, Ethylenpropylene, Ethylen-Propylen-Dien-Monomere (EPDM), Nitril-Butadiene und Styrol-Butadiene (SBR) und Copolymere sowie Mischungen derselben. Jedes beliebige der vorstehenden Materialien kann ungeschäumt oder, wenn für die Anwendung erforderlich, aufgeblasen oder auf andere Weise chemisch oder physikalisch in einen offenzelligen oder geschlossenzelligen Schaumstoff bearbeitet verwendet werden.
Desgleichen können die Dünnschichten aus Graphen, wie sie hierin beschrieben sind, direkt auf die vor elektromagnetischer Strahlung zu schützende Einheit aufgebracht werden, um so die Einheit zu verkapseln und/oder zu umschließen. Die Einheit kann nahezu jede beliebige Einheit sein, die einen elektronischen Schaltkreis beinhaltet, wobei nicht-beschränkende Beispiele für diese Computer, mobile Telefone und Festnetztelefone, Fernseher, Radios, Personal Digital Assistants, digitale Musikabspielgeräte, medizinische Instrumente, Kraftfahrzeuge, Flugzeuge und Satelliten beinhalten.
Es versteht sich, dass ein Fachmann bei Verwenden von nicht mehr als Routineversuchen auf der Grundlage von Eigenschaften wie Betriebstemperatur, Härte, chemischer Kompatibilität, Elastizität, Konformität, Druckableitung, bleibender Druckverformung, Flexibilität, Fähigkeit zur Wiederherstellung nach einer Deformation, Modul, Zugfestigkeit, Dehnung, Kraftabfall, Entflammbarkeit oder jeder beliebigen anderen chemischen oder physikalischen Eigenschaft strukturelle Materialien zur Verwendung mit der Dünnschicht aus Graphen auswählen kann.
In einer in 1 gezeigten Ausführungsform beinhaltet die elektromagnetische Abschirmstruktur 10 zum Abschirmen eines Objekts 12 vor elektromagnetischer Strahlung eine oder mehrere dünne Lagen 14¹, 14², ... 14ⁿ aus Graphen, die auf das abzuschirmende Objekt transferiert sind. Jede einzelne dünne Lage aus Graphen ist mit einem Dotierstoff 15 dotiert, um die Abschirmeffektivität und die Transparenz im sichtbaren Bereich zu steigern. In einer Ausführungsform ist die dünne Lage aus Graphen mit einem Dotierstoff vom p-Typ derart dotiert, dass Elektronen aus dem Graphen herausfließen, wodurch die Austrittsarbeit der Schicht aus Graphen erhöht wird. Optional sind die eine oder die mehreren dünnen Lagen aus Graphen auf ein flexibles Substrat 16 transferiert. In einer Ausführungsform ist das flexible Substrat transparent für Strahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich.
Die verwendete Anzahl von dünnen Lagen aus Graphen variiert in Abhängigkeit von der angestrebten Anwendung. Zum Beispiel kann das Graphen als eine einzelne Schicht oder in einer Mehrschichtkonfiguration verwendet werden, wie vorstehend beschrieben. Als solche kann die Schicht aus Graphen eine Dicke von etwa 1 Nanometer bis etwa 100 Nanometer, in weiteren Ausführungsformen eine Dicke von etwa 10 nm bis etwa 80 nm und in noch weiteren Ausführungsformen eine Dicke von bis zu etwa 100 nm aufweisen.
In einer weiteren, in 2 gezeigten Ausführungsform beinhaltet die elektromagnetische Abschirmstruktur 20 zum Abschirmen eines Objekts 22 vor elektromagnetischer Strahlung eine oder mehrere dünne Lagen 24¹, 24², ... 24ⁿ aus Graphen, die auf das abzuschirmende Objekt transferiert sind. An den transferierten dünnen Lagen wird eine Dotierung mit einem Dotierstoff 25 durchgeführt, nachdem alle der dünnen Lagen aus Graphen transferiert wurden, d.h. die Dotierung wird an dem Stapel durchgeführt. Optional sind die eine oder die mehreren dünnen Lagen aus Graphen auf ein flexibles Substrat 6 transferiert. In einer Ausführungsform ist das flexible Substrat transparent für Strahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich.
Die verwendete Anzahl von dünnen Lagen aus Graphen variiert in Abhängigkeit von der angestrebten Anwendung.
Wie vorstehend erörtert, ist die Dünnschicht aus Graphen dotiert. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Ausdruck dotiert auf eine Menge an Dotierstoff, die verwendet wird, um eine Dotierkonzentration (n) in der dünnen Lage aus Graphen herbeizuführen, die reflektierend ist. Als ein Beispiel ist die Dotierstoffkonzentration (n) hoch dotiert, um eine Reflexion herbeizuführen, und ist höher als 10¹³ cm^-2. In weiteren Ausführungsformen ist die Dotierstoffkonzentration dahingehend wirksam, dass die elektromagnetische Strahlung absorbiert wird. Als ein Beispiel ist die Dotierstoffkonzentration (n) mit 10¹³ cm^-2-2 > n > 10¹² cm^-2 in mäßiger Weise dotiert. In weiteren Ausführungsformen ist die Dotierstoffkonzentration (n) mit 10¹² > n > 0 cm^-2 niedrig dotiert.
Die Dotierstoffe können als eine Lösung und/oder als eine Gasphase angebracht werden. Als ein Beispiel werden die dünnen Lagen aus Graphen zu einer Lösung des Dotierstoffes bei Temperaturen von etwa Raumtemperatur bis etwa 120 °C unter Hin- und Herbewegen während etwa einer Stunde bis mehrere Tage hinzugefügt. Am Ende dieses Prozesses sind die dünnen Lagen aus Graphen nunmehr hoch dotiert. Die zurückbleibenden dotierenden Agenzien werden über Separationstechnologien entfernt (Filtrationsauswaschung, Zentrifugierung, Querstromfiltration).
Beispiele für geeignete Dotierstoffe zum Erhöhen der Abschirmeffektivität beinhalten einen oxidierenden Dotierstoff, wie, ohne Beschränkung, Bromwasserstoffsäure, lodwasserstoffsäure, Salpetersäure, Schwefelsäure, Oleum, Chlorwasserstoffsäure, Zitronensäure, Oxalsäure oder Metallsalze, wobei Beispiele für diese Goldchlorid, Silbernitrat und dergleichen beinhalten, jedoch nicht darauf beschränkt sind. Wird die Dünnschicht aus Graphen der Dotierstofflösung und/oder der Gasphase ausgesetzt, verschiebt sich das Fermi-Niveau des Graphens weiter vom Dirac-Punkt weg, was zu einer starken Zunahme der Leitfähigkeit und einer Verringerung des Flächenwiderstands führt, ohne dass das konjugierte Netzwerk der dünnen Lage aus Graphen unterbrochen wird.
Die Abschirmeffektivität (SE) in dB wird durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt: SE = 20 log(Ei/Et); SE = 10 log(Pi/Pt), wobei E die Feldstärke in V/m ist, P die Feldstärke in W/m2 ist, i das einfallende Wellenfeld ist und t das Leiterfeld ist. In der vorliegenden Offenbarung beträgt die Abschirmeffektivität (SE) der Struktur zum Abschirmen elektromagnetischer Störungen gemäß der vorliegenden Offenbarung wenigstens 30 dB oder mehr, und ist in weiteren Ausführungsformen höher als 40 dB oder mehr, wenn die Frequenz der elektromagnetischen Wellen größer als 1 MHz ist.
Die hierin verwendete Terminologie dient lediglich dem Zweck der Beschreibung spezieller Ausführungsformen und ist nicht dazu gedacht, die Erfindung zu beschränken. Wie hierin verwendet, ist beabsichtigt, dass die Singularformen „ein/eine/eines“, „ein/eine/eines“ und „der/die/das“ ebenso die Pluralformen einschließen, wenn der Kontext nicht klar etwas anderes anzeigt. Es versteht sich des Weiteren, dass die Ausdrücke „er/sie/es weist auf“ und/oder „der/die/das aufweisen“, als offene, nicht-beschränkende Ausdrücke gedacht sind, wenn nicht ausdrücklich das Gegenteil angezeigt ist, und dass sie, wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, das Vorhandensein von angegebenen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen und/oder Komponenten spezifizieren, dass sie jedoch das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einem oder mehreren weiteren Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen derselben nicht ausschließen.

Claims

Struktur zum Abschirmen elektromagnetischer Störungen, um elektromagnetische Strahlung abzuschirmen, die bei Frequenzen von einer Quelle emittiert wird, die höher als ein Megahertz sind, wobei diese aufweist: eine oder mehrere dünne Lagen aus Graphen, wobei wenigstens eine der dünnen Lagen aus Graphen mit einem Dotierstoff dotiert ist, der eine Dotierstoffkonzentration in einer Menge aufweist, die dahingehend wirksam ist, dass elektromagnetische Strahlung bei Frequenzen absorbiert wird, die höher als 1 Megahertz sind, wobei die Dotierstoffkonzentration (n) zwischen den Grenzen 10¹³ cm^-2 > n > 10¹² cm^-2 oder 10¹² cm^-2 > n > 0 cm^-2 liegt.
Struktur zum Abschirmen elektromagnetischer Störungen nach Anspruch 1, die des Weiteren ein flexibles Substrat aufweist, wobei die eine oder die mehreren dünnen Lagen aus Graphen auf dem flexiblen Substrat aufgebracht sind.
Struktur zum Abschirmen elektromagnetischer Störungen nach Anspruch 1, wobei eine oberste Schicht der einen oder der mehreren dünnen Lagen aus Graphen mit dem Dotierstoff dotiert ist.
Struktur zum Abschirmen elektromagnetischer Störungen nach Anspruch 1, wobei die eine oder die mehreren dünnen Lagen aus Graphen transparent für sichtbare Strahlung sind.
Struktur zum Abschirmen elektromagnetischer Störungen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Dotierstoffkonzentration dahingehend wirksam ist, dass elektromagnetische Strahlung bei Frequenzen absorbiert wird, die höher als 1 Megahertz sind.
Struktur zum Abschirmen elektromagnetischer Störungen nach Anspruch 1, wobei die eine oder die mehreren dünnen Lagen aus Graphen so konfiguriert sind, dass eine Abschirmeffektivität bereitgestellt ist, die höher als 40 dB ist.
Struktur zum Abschirmen elektromagnetischer Störungen nach Anspruch 1, wobei jede der einen oder der mehreren dünnen Lagen aus Graphen mit dem Dotierstoff dotiert ist.
Struktur zum Abschirmen elektromagnetischer Störungen nach Anspruch 1, wobei die eine oder die mehreren dünnen Lagen aus Graphen als ein Gewebe konfiguriert sind.
Struktur zum Abschirmen elektromagnetischer Störungen nach Anspruch 2, wobei das flexible Substrat transparent für sichtbare Strahlung ist.
Struktur zum Abschirmen elektromagnetischer Störungen nach Anspruch 1, wobei der Dotierstoff aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus anorganischen Säuren und Metallsalzen besteht.
Struktur zum Abschirmen elektromagnetischer Störungen nach Anspruch 10, wobei die Metallsalze aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Goldchlorid und Silbernitrat besteht.
Struktur zum Abschirmen elektromagnetischer Störungen nach Anspruch 10, wobei die anorganischen Säuren aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Bromwasserstoffsäure, Iodwasserstoffsäure, Salpetersäure, Schwefelsäure, Oleum, Chlorwasserstoffsäure, Zitronensäure und Oxalsäure besteht
Verfahren zum Abschirmen eines Objekts vor elektromagnetischer Strahlung, die von einer elektromagnetischen Quelle emittiert wird, bei Frequenzen, die höher als ein Megahertz sind, wobei dieses aufweist:Bereitstellen einer Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 12 auf dem oder um das Objekt herum.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die eine oder die mehreren dünnen Lagen aus Graphen mittels chemischer Gasphasenabscheidung gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 13, das aufweist: Bereitstellen von einer oder mehreren dünnen Lagen aus Graphen auf dem oder um das Objekt herum.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Bereitstellen von einer oder mehreren dünnen Lagen aus Graphen ein Transferieren einer ersten dünnen Lage aus Graphen auf das Objekt; ein Dotieren der ersten dünnen Lage aus Graphen, um die dotierte dünne Lage aus Graphen zu bilden; ein Transferieren von wenigstens einer zusätzlichen dünnen Lage aus Graphen auf die erste dotierte dünne Lage aus Graphen; und ein Dotieren der wenigstens einen zusätzlichen dünnen Lage aus Graphen aufweist; wobei der Prozess wiederholt wird, bis eine gewünschte Dicke erreicht ist.
Verfahren nach Anspruch 15, das des Weiteren ein Transferieren der ersten dünnen Lage aus Graphen auf ein flexibles Substrat aufweist, wobei das flexible Substrat auf dem oder um das Objekt herum aufgebracht ist.