La comunicación por microondas es omnipresente en el mundo moderno, con ondas electromagnéticas en el rango de decenas de gigahercios que proporcionan una transmisión eficiente con un ancho de banda amplio para enlaces de datos entre satélites en órbita terrestre y estaciones terrestres. Esta comunicación inalámbrica de frecuencia ultra alta es ahora tan común, con un hacinamiento resultante de las bandas espectrales asignadas a diferentes canales de comunicaciones, que la interferencia y la compatibilidad electromagnética (EMC) son preocupaciones serias.
Las reglas que gobiernan la EMC dictan que los equipos nuevos cumplen con los estrictos requisitos relacionados con el blindaje de microondas tanto de los componentes como de los sistemas. Esto está impulsando la búsqueda de nuevos materiales que se utilizarán como capas de revestimiento, escudos y filtros en futuros dispositivos nanoelectrónicos.
Proteger los dispositivos electrónicos con una barrera que simplemente refleja la radiación de microondas entrante solo desplaza el problema de la contaminación electromagnética a otra parte. Por lo tanto, la investigación se centra en el desarrollo de recubrimientos EMC que absorban en lugar de reflejar las microondas, con un énfasis práctico en capas de menos de una milésima de milímetro de espesor.
Un equipo de físicos dirigido por Philippe Lambin de la Universidad de Namur en Bélgica ha descubierto que un plano de grafeno puede proporcionar un escudo absorbente eficaz contra las microondas. Los resultados del estudio, cuyos principales contribuyentes son Konstantin Batrakov y Polina Kuzhir, ambos de la Universidad Estatal de Bielorrusia en Minsk, se publican en la revista Informes científicos . Los ocho autores son parte del Graphene Flagship, un consorcio de socios académicos e industriales que se centra en la necesidad de que Europa aborde los grandes desafíos científicos y tecnológicos a largo plazo, esfuerzos de investigación multidisciplinarios.
Lambin y sus colegas demostraron que la conductividad de varias capas de grafeno se suma aritméticamente cuando los espaciadores de polímero delgados los separan. La máxima absorción de microondas en la banda de comunicaciones Ka entre 26,5 y 40 GHz se consigue con seis planos de grafeno separados por capas de polimetacrilato de metilo (PMMA), un plástico transparente también conocido como vidrio acrílico.
Las barreras de microondas multicapa construidas por investigadores de la Universidad de Joensuu en Finlandia comienzan con una primera capa de grafeno depositada sobre un sustrato de lámina de cobre mediante deposición de vapor químico. Esta capa se cubre luego con un espaciador de PMMA de 600-800 nanómetros obtenido por recubrimiento por rotación, después de lo cual el cobre se graba con cloruro férrico, y la heteroestructura de grafeno / PMMA transferida a un sustrato de cuarzo. El procedimiento se repite hasta que se alcanza el número requerido de capas de grafeno.
Una sola capa de grafeno puede absorber hasta el 25% de la radiación de microondas incidente, que es mucho para un material de un átomo de espesor. Con una disposición de grafeno / PMMA multicapa, la absorción se eleva al 50%. Esto se puede entender analizando la transmisión y la reflexión de una onda plana en la interfaz entre dos medios dieléctricos, cuando la interfaz contiene una capa conductora infinitesimalmente delgada. De este modo, los investigadores pudieron optimizar sus estructuras de grafeno-PMMA para una máxima absorción, con los resultados confirmados por rigurosas pruebas electromagnéticas.
Es más, notas Lambin, hay que considerar la interfaz entre el material de protección y el aire ...
“Hemos encontrado que la conductividad estática del grafeno se acerca al valor que relaciona los campos magnético y eléctrico en cualquier radiación electromagnética que se propaga en el aire. Gracias a esta feliz coincidencia, el grafeno es un material ideal para absorber ondas de radio, protegiendo así los dispositivos electrónicos sensibles ".
La idea de utilizar multicapas de grafeno / dieléctrico para la absorción de ondas electromagnéticas no es nueva. Por ejemplo, Hace unos años se publicó una propuesta teórica para un funcionamiento multicapa absorbente de banda ultra ancha en la región de los terahercios, mucho más alto que la banda de comunicaciones Ka discutida aquí.
Un escudo de terahercios de varias capas sería un asunto complejo, con sus planos de grafeno modelados a escala micrométrica para generar resonancias de plasmones superficiales, oscilaciones en los electrones que se propagan a lo largo de las interfaces entre diferentes capas de material. La barrera de microondas ideada por el equipo de Graphene Flagship es relativamente simple en comparación, con ventajas en términos de fabricación y escalabilidad.
En aplicaciones del mundo real, Las multicapas de grafeno / PMMA requieren protección contra agentes químicos y mecánicos externos. Por lo tanto, el sustrato de cuarzo debe mirar hacia afuera, y combinarse con un material más suave. La elección y el grosor del material de la capa superior utilizado son parámetros adicionales que influirán en la absorbancia de microondas.
La escalabilidad del proceso aumentará considerablemente si se depositan pilas de grafeno de pocas capas en un solo paso, en lugar de apilar monocapas de grafeno con sus lanzaderas de PMMA. Además, cualquier proceso que aumente la conductividad del grafeno reducirá el número de planos atómicos necesarios para maximizar el nivel de absorción de microondas.
