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得益于其優(yōu)異的電磁性質(zhì)，二維材料在微波吸收（MA）和電磁干擾（EMI）屏蔽方面具有獨特的應用優(yōu)勢。近年來，二維材料（如石墨烯、MXene和過渡金屬二硫化物等）在電磁干擾（EMI）屏蔽和吸收領域正變得越來越重要。

 

近日，太原理工大學杜建平教授領導的研究團隊在Advanced Materials上以Design and Synthesis Strategies: 2D Materials for Electromagnetic Shielding/Absorbing為題發(fā)表綜述文章，系統(tǒng)概述了二維材料的制備方法及其在電磁干擾屏蔽/吸收領域的應用，介紹了電磁干擾屏蔽/吸收的基礎知識，綜述了二維納米結構及其衍生材料合成路線的最新進展，為電磁防護材料的精確設計和制備提供了參考和指導。

 

 

圖1. 用于EMI屏蔽/吸收的二維材料示意圖。

 

近年來，隨著電子信息技術的飛速發(fā)展，大功率、高速度的電子元器件和設備得到了廣泛的應用。為了滿足實際需求，電子元器件和設備需要高度集成化和小型化，這不可避免地會引起電磁輻射干擾，損害人體健康。由于電子元件對電磁場的高靈敏度，任何微小干擾都可能導致設備在高度集成的電子裝置中發(fā)生故障。如果沒有任何電磁干擾（EMI）屏蔽的電子設備暴露在附近設備產(chǎn)生的電磁場中，電子設備將很容易發(fā)生故障。

 

對于這個問題，EMI的凈化對于電子系統(tǒng)的性能至關重要。此外，手機、天線和安全設備產(chǎn)生的電磁污染對人體健康也有負面影響。特別是，長期暴露于EM污染會導致嚴重的疾病，如腦瘤和白血病。因此，在軍用和民用電磁干擾管理中，迫切需要開發(fā)性能良好的屏蔽和吸收材料，用于電子元件的電磁防護或電磁兼容性管理。

 

目前，金屬、合金、鐵氧體和炭黑仍然是傳統(tǒng)的電磁屏蔽/吸收材料。例如，鋁、鎳及其合金通常用作設備屏蔽外殼的材料。羰基鐵廣泛用作填充在硅橡膠和環(huán)氧樹脂等聚合物中的微波吸收劑。鐵氧體具有很強的電磁波吸收性能。

 

然而，金屬基材料具有密度高、機械應力大、耐腐蝕性差、熱穩(wěn)定性差、吸收帶寬窄等缺點，限制了其在電磁干擾屏蔽領域的應用。此外，炭黑也是一種廉價的吸收劑，填充在聚合物中。為滿足寬帶吸收要求，需要高填充負載，但容易導致加工性能惡化和工作壽命短。因此，傳統(tǒng)的電磁屏蔽/吸收材料仍然難以滿足復雜電子設備的電磁防護要求，迫切需要開發(fā)性能優(yōu)異的新型材料。

 

為了滿足低厚度、輕量化、強衰減和寬帶寬的要求，目前學術界和產(chǎn)業(yè)界的研究重點是碳材料、過渡金屬化合物、導電聚合物和超材料。其中二維材料由于其層狀結構、能帶結構、電子特性和受控平面結構，在電磁干擾屏蔽和吸收方面顯示出獨特的優(yōu)勢。

 

并且，可通過構建異質(zhì)結、控制微結構、調(diào)節(jié)EM參數(shù)，將二維自組裝成三維材料和二維/二維復合材料（如MXene/GO），進一步增強二維材料的性能，從而增強EM保護性能，如頻率優(yōu)化、靈活性、，重量輕，耐高溫等等?；谏鲜龆S材料的結構特征，二維和二維衍生的層次結構在電磁領域?qū)⒕哂芯薮蟮膽脻摿Α?/span>

 

本綜述回顧了二維材料的制備策略及其在電磁干擾屏蔽/吸收領域中的應用。文章首先概述了電磁干擾屏蔽/吸收的基本知識。接著，文章總結了二維納米結構合成路線的最新進展，包括石墨烯、MXene和過渡金屬二鹵化物及其各種衍生材料，然后介紹了其在EMI屏蔽/吸收中的應用（圖?1）。 最后，文章闡述了新型電磁干擾材料的應用前景和發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)。

 

 

圖2. PPS/PASS/GNPs復合材料的制備、SEM圖像和電磁屏蔽性能。

 

EMI屏蔽/吸收的基礎知識

 

材料的屏蔽和吸收性能主要取決于阻抗匹配和損耗容量。對于以反射為主的電磁干擾屏蔽材料，低阻抗匹配度導致強反射和高屏蔽效能。對于以吸收為主的EMI屏蔽，需要合適的阻抗匹配和協(xié)同損耗路徑。因此，有必要通過化學成分控制和微觀結構設計，對阻抗匹配和損耗容量進行定向調(diào)整。

 

二維材料由于其獨特的晶體結構和電子狀態(tài)，對電磁波有特殊的響應。具有零帶隙的單層石墨烯和MXene（Ti3C2Tx）表現(xiàn)為源自豐富載流子的類金屬導電性，這有利于導電損耗和反射主導的EMI屏蔽。

 

二維材料表面的缺陷和端基容易導致電子密度的不均勻性，在外場作用下形成偶極子，從而導致極化損耗。二維材料的平面結構適合于構造具有異質(zhì)元件的新界面，以改善阻抗匹配。MXene和過渡金屬硫化物等二維材料的多種構型有利于調(diào)整其電特性，提高電磁屏蔽/吸收性能。

 

 

圖3. 聚乳酸/石墨烯納米復合材料的制備、SEM圖像和電磁屏蔽性能。

 

石墨烯

 

石墨烯因其優(yōu)異的導電性、高比表面積、耐腐蝕性、高熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性而被認為是一種潛在的微波屏蔽和吸收材料。尤其是由于層數(shù)少而產(chǎn)生的高導電性和高載流子遷移率，賦予了其優(yōu)異的電磁波反射能力，其透光性在透明電磁屏蔽中具有應用前景。而拉伸的二維結構和高比表面積有利于電磁吸收。

 

為了進一步提高微波衰減能力，研究人員經(jīng)常用納米材料修飾石墨烯并構建新型納米結構，以豐富各種電磁波衰減機制，增強電磁波在吸收介質(zhì)中的傳播路徑。值得注意的是，石墨烯基復合材料的介電常數(shù)和磁導率可以通過上述方法進行調(diào)整，以接近理想值，促進阻抗匹配并產(chǎn)生理想吸收。

 

MXene

 

MXenes是一類由過渡金屬碳化物或氮化物組成二維材料，一般由Mn+1XnTx的方程表示，其中M表示過渡金屬元素（如Ti、V、Cr和Mo），X表示C元素或N元素，Tx表示表面官能團。MXene具有類似于金屬的優(yōu)良導電性。例如，具有三維蜂窩結構的MXene（Ti3C2Tx）膜由于其連續(xù)導電多孔結構表現(xiàn)出優(yōu)異的絕對電磁干擾屏蔽效能。通過基于規(guī)則的單元格結構構建高導電網(wǎng)絡結構，可以使得MXene的定向分布和入射電磁波的強烈反射。同時，這種具有連續(xù)表面的單元格結構可以通過多次內(nèi)反射和散射有效地捕獲入射電磁波，從而阻礙電磁波通過材料的穿透。然而，MXene面向?qū)嵱萌杂幸恍﹩栴}需要解決。例如，MXene本身容易氧化和不穩(wěn)定，由于其固有的弱凝膠能力，很難構建三維結構，并且其高導電性也是電磁波吸收的主要障礙?；谏鲜鰡栴}，MXene的性能應通過改性或組合的方法來提高。

 

過渡金屬硫族化合物

 

 

圖4. ?MoS2/CS納米復合材料的SEM圖像和反射損耗。

 

如MoS2和WS2等的過渡金屬二硫化物（TMD）具有與石墨烯相似的結構。原子通過共價鍵連接，Mo層通過兩個S原子層之間的范德瓦爾斯力連接在一起。過渡金屬二硫化物具有增強平面電輸運性能的優(yōu)勢。過渡金屬二硫化物固有的優(yōu)異介電性能、獨特的結構和可設計的微觀形貌使其成為一種很有前途的電磁干擾屏蔽和吸收材料。

 

盡管過渡金屬二硫化物具有高比表面積、界面極化和介電損耗的優(yōu)點，但由于其高電阻、團聚和高介電損耗，其性能仍然受到低阻抗匹配的限制。因此，通常通過構造新的界面、設計極化位置和引入缺陷，進一步增強電磁波的充分衰減來改善電磁參數(shù)。

 

總結與展望

 

二維材料，如石墨烯、MXene和過渡金屬二氯化鎂，是MA和EMI屏蔽領域的優(yōu)秀候選材料。本文綜述了二維材料基復合材料的制備方法、機理和性能的研究進展。文章指出，基于二維材料的可控結構和柔性改性，它們被證明在EMI屏蔽/吸收方面具有潛在的應用。文章認為，電磁防護材料的高屏蔽效率和低反射損耗可以通過調(diào)節(jié)和修改二維材料，間接調(diào)節(jié)介電常數(shù)、磁導率和電導率等關鍵參數(shù)來實現(xiàn)。

 

文章指出，通過構造微結構和在二維結構材料中引入非均勻材料，可以獲得合適的電磁參數(shù)和合適的阻抗匹配。引入雜原子或非均相組分可以豐富損耗機制，提高電磁波的有效吸收，構建隔離結構、“磚混”結構、核殼結構、蜂窩結構和多孔結構可以實現(xiàn)對電磁波的多樣化響應。隔離結構和“磚混砂漿”結構有利于屏蔽材料，而吸波材料需要核殼結構和多孔結構。為了獲得優(yōu)異的性能和滿足商業(yè)需求，發(fā)展二維材料的制備技術具有重要意義。

 

未來，二維材料的研究仍應該集中在多組分的調(diào)控和新型結構的構建上，以滿足電磁屏蔽/吸收材料的苛刻要求。此外，利用CST、高頻結構模擬器（HFSS）和COMSOL Multiphysics等仿真平臺，建立理想電導率、介電常數(shù)、磁導率和厚度的模型，對有效指導電磁屏蔽/吸收材料的制備也具有非常重要意義。文章相信，盡管未來發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)巨大，但是本文所介紹的不同的設計策略將有望開發(fā)新型材料以滿足電磁屏蔽/吸收應用開辟出可行的道路。

 

參考文獻：

 

Jie Zhang, Jianchao Zhang, Xiaofeng Shuai, Ruihua Zhao, Tianyu Guo, Kexun Li, Donghong Wang, Chen Ma, Jinping Li, Jianping Du, Design and Synthesis Strategies: 2D Materials for Electromagnetic Shielding/Absorbing. Advanced Materials 16, 3817-3832 (2021).