Science：MXenes实现高效屏蔽电磁干扰

【引言】

如今的电子设备都朝着更智能、更轻巧的方向快速发展着。每种兼具传输信号，利用电能的电子设备都会产生电磁干扰，而这对设备性能及周围环境都会带来不利的影响。如果没有屏蔽防护，电子设备中高速运行的组件会大幅度的产生电磁干扰，这会致使电子设备发生故障或是出现退化。不断增加的电磁污染还会影响人体健康及周围的环境。

极薄，且具柔性和高电导性的材料适宜用于屏蔽电磁干扰，若是将材料制成薄膜状则更佳。二维的金属碳化物或氮化物，即MXenes，集金属导电性和亲水表面的特点于一身。因此可尝试将此材料投身于电磁干扰屏蔽用途中。

【成果简介】

韩国科学技术研究院的Faisal Shahzad（通讯作者），德雷赛尔大学的Mohamed Alhabeb和Christine B. Hatter（共同通讯作者）等人证实一些MXenes及其聚合物复合材料在电磁干扰屏蔽上有着潜在的用途。45微米厚的Ti3C2Tx薄膜电磁干扰屏蔽效应可达到92dB，这是迄今所制造的合成材料中屏蔽性能表现的最佳的材料。如此良好的性能则源于Ti3C2Tx薄膜极佳的电导性及在无支撑薄膜中Ti3C2Tx薄片的多重内反射。MXenes及其复合材料因其机械柔和性及易于涂层的能力使其可作为任何形状的物品的屏蔽层，同时还保全着其高电磁干扰屏蔽性能。

【图文导读】

图1：Ti3C2Tx及Ti3C2Tx-SA复合薄膜的结构图示

图2：Ti3C2Tx及Ti3C2Tx-SA复合薄膜形貌与结构表征

（A） 置于过滤器表面上Ti3C2Tx薄片的SEM图像。

（B-C）分别为50 wt% Ti3C2Tx-SA复合材料和纯Ti3C2Tx材料的SEM图像。

（D）Ti3C2Tx及不同负载下其与SA构成的复合材料的XRD图谱。

（E-F）分别为80 wt%和30 wt%的Ti3C2Tx-SA复合薄膜的TEM图像。

图3：MXene和MXene复合材料的电导性及电磁干扰屏蔽性

（A） Mo2TiC2TX，Mo2Ti2C3TX及Ti3C2TX的电导性。

（B）Ti3C2TX-SA复合材料的电导性，复合材料是在SA基质中填充10-90wt% 的Ti3C2TX制备得到。

（C）厚度在2.5μm下，Mo2TiC2Tx、Mo2Ti2C3Tx、Ti3C2Tx的电磁干扰屏蔽性（EMI SE）。

（D）不同厚度下Ti3C2TX的EMI SE。

（E）厚度在8-9μm间的Ti3C2TX-SA复合材料的EMI SE。

（F）8.2 GHz下，Ti3C2TX和60 wt% 的Ti3C2TX-SA复合材料样品的总EMI SE（EMI SET），及样品中的吸收（SEA）和反射（SER）机制。

图4 ：与之前文献报道的材料进行EMI SE对比并提出材料可能的屏蔽机制

（A）不同材料厚度与EMI SE间的关系。每种图标代替着一类材料：Ti3C2TX MXenes（红星），Ti3C2TX-SA复合材料（紫星），钼MXenes（绿色实心圆），铜和铝箔（黑色菱形块），金属（蓝色菱形块），石墨烯（空心圆），碳纤维和碳纳米管（空心方块），石墨（黑色实心圆），其他材料（蓝色实心圆）。

（B）提出EMI SI机制。入射的电磁波（绿色箭头）冲击MXene片表面，因为反射发生在吸收之前，部分电磁波会立即从材料表面反射出，在导电表面产生大量的载流子（浅蓝箭头），由于材料端基处会诱发局部极化，使得吸收的入射波经过MXene结构（蓝色虚箭头）。当低能量的投射波途经下一层MXene薄片时，他们会历经同样的过程，引起多重内部反射（黑色虚箭头），吸收波也同样如此。每次电磁波穿透MXene片层时，其强度都会大幅度的衰减，最终就可达到完全消减电磁波的目的。

文献链接：Electromagnetic interference shielding with 2D transition metal carbides (MXenes)（Science，2016，DOI：10.1126/science.aag2421）

本文由材料人编辑部电子电工学术组大黑天供稿，材料牛编辑整理。

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