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(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，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(lǐng)域正變得越來(lái)越重要。

近日，太原理工大學(xué)杜建平教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)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(lǐng)域的應(yīng)用，介紹了電磁干擾屏蔽/吸收的基礎(chǔ)知識(shí)，綜述了二維納米結(jié)構(gòu)及其衍生材料合成路線的最新進(jìn)展，為電磁防護(hù)材料的精確設(shè)計(jì)和制備提供了參考和指導(dǎo)。

圖1. 用于EMI屏蔽/吸收的二維材料示意圖。

近年來(lái)，隨著電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，大功率、高速度的電子元器件和設(shè)備得到了廣泛的應(yīng)用。為了滿足實(shí)際需求，電子元器件和設(shè)備需要高度集成化和小型化，這不可避免地會(huì)引起電磁輻射干擾，損害人體健康。由于電子元件對(duì)電磁場(chǎng)的高靈敏度，任何微小干擾都可能導(dǎo)致設(shè)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(shè)備暴露在附近設(shè)備產(chǎn)生的電磁場(chǎng)中，電子設(shè)備將很容易發(fā)生故障。

對(duì)于這個(gè)問題，EMI的凈化對(duì)于電子系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。此外，手機(jī)、天線和安全設(shè)備產(chǎn)生的電磁污染對(duì)人體健康也有負(fù)面影響。特別是，長(zhǎng)期暴露于EM污染會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)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(hù)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(shè)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(qiáng)的電磁波吸收性能。

然而，金屬基材料具有密度高、機(jī)械應(yīng)力大、耐腐蝕性差、熱穩(wěn)定性差、吸收帶寬窄等缺點(diǎn)，限制了其在電磁干擾屏蔽領(lǐng)域的應(yīng)用。此外，炭黑也是一種廉價(jià)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(fù)載，但容易導(dǎo)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(fù)雜電子設(shè)備的電磁防護(hù)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(qiáng)衰減和寬帶寬的要求，目前學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的研究重點(diǎn)是碳材料、過渡金屬化合物、導(dǎo)電聚合物和超材料。其中二維材料由于其層狀結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)、電子特性和受控平面結(jié)構(gòu)，在電磁干擾屏蔽和吸收方面顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

并且，可通過構(gòu)建異質(zhì)結(jié)、控制微結(jié)構(gòu)、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(fù)合材料（如MXene/GO），進(jìn)一步增強(qiáng)二維材料的性能，從而增強(qiáng)EM保護(hù)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(jié)構(gòu)特征，二維和二維衍生的層次結(jié)構(gòu)在電磁領(lǐng)域?qū)⒕哂芯薮蟮膽?yīng)用潛力。

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(lǐng)域中的應(yīng)用。文章首先概述了電磁干擾屏蔽/吸收的基本知識(shí)。接著，文章總結(jié)了二維納米結(jié)構(gòu)合成路線的最新進(jìn)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(yīng)用（圖?1）。 最后，文章闡述了新型電磁干擾材料的應(yīng)用前景和發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)。

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

EMI屏蔽/吸收的基礎(chǔ)知識(shí)

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(duì)于以反射為主的電磁干擾屏蔽材料，低阻抗匹配度導(dǎo)致強(qiáng)反射和高屏蔽效能。對(duì)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(xué)成分控制和微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)阻抗匹配和損耗容量進(jìn)行定向調(diào)整。

二維材料由于其獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)和電子狀態(tài)，對(duì)電磁波有特殊的響應(yīng)。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(dǎo)電性，這有利于導(dǎo)電損耗和反射主導(dǎo)的EMI屏蔽。

二維材料表面的缺陷和端基容易導(dǎo)致電子密度的不均勻性，在外場(chǎng)作用下形成偶極子，從而導(dǎo)致極化損耗。二維材料的平面結(jié)構(gòu)適合于構(gòu)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(gòu)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(fù)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(dǎo)電性、高比表面積、耐腐蝕性、高熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性而被認(rèn)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(dǎo)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(yīng)用前景。而拉伸的二維結(jié)構(gòu)和高比表面積有利于電磁吸收。

為了進(jìn)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(gòu)建新型納米結(jié)構(gòu)，以豐富各種電磁波衰減機(jī)制，增強(qiáng)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(fù)合材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率可以通過上述方法進(jìn)行調(diào)整，以接近理想值，促進(jìn)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(tuán)。MXene具有類似于金屬的優(yōu)良導(dǎo)電性。例如，具有三維蜂窩結(jié)構(gòu)的MXene（Ti3C2Tx）膜由于其連續(xù)導(dǎo)電多孔結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出優(yōu)異的絕對(duì)電磁干擾屏蔽效能。通過基于規(guī)則的單元格結(jié)構(gòu)構(gòu)建高導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以使得MXene的定向分布和入射電磁波的強(qiáng)烈反射。同時(shí)，這種具有連續(xù)表面的單元格結(jié)構(gòu)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(gòu)建三維結(jié)構(gòu)，并且其高導(dǎo)電性也是電磁波吸收的主要障礙?；谏鲜鰡栴}，MXene的性能應(yīng)通過改性或組合的方法來(lái)提高。

過渡金屬硫族化合物

圖4. ?MoS2/CS納米復(fù)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(jié)構(gòu)。原子通過共價(jià)鍵連接，Mo層通過兩個(gè)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(qiáng)平面電輸運(yùn)性能的優(yōu)勢(shì)。過渡金屬二硫化物固有的優(yōu)異介電性能、獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和可設(shè)計(jì)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(diǎn)，但由于其高電阻、團(tuán)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(gòu)造新的界面、設(shè)計(jì)極化位置和引入缺陷，進(jìn)一步增強(qiáng)電磁波的充分衰減來(lái)改善電磁參數(shù)。

總結(jié)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(lǐng)域的優(yōu)秀候選材料。本文綜述了二維材料基復(fù)合材料的制備方法、機(jī)理和性能的研究進(jìn)展。文章指出，基于二維材料的可控結(jié)構(gòu)和柔性改性，它們被證明在EMI屏蔽/吸收方面具有潛在的應(yīng)用。文章認(rèn)為，電磁防護(hù)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(dǎo)率和電導(dǎo)率等關(guān)鍵參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

文章指出，通過構(gòu)造微結(jié)構(gòu)和在二維結(jié)構(gòu)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(jī)制，提高電磁波的有效吸收，構(gòu)建隔離結(jié)構(gòu)、“磚混”結(jié)構(gòu)、核殼結(jié)構(gòu)、蜂窩結(jié)構(gòu)和多孔結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的多樣化響應(yīng)。隔離結(jié)構(gòu)和“磚混砂漿”結(jié)構(gòu)有利于屏蔽材料，而吸波材料需要核殼結(jié)構(gòu)和多孔結(jié)構(gòu)。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(shù)具有重要意義。

未來(lái)，二維材料的研究仍應(yīng)該集中在多組分的調(diào)控和新型結(jié)構(gòu)的構(gòu)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(jié)構(gòu)模擬器（HFSS）和COMSOL Multiphysics等仿真平臺(tái)，建立理想電導(dǎo)率、介電常數(shù)、磁導(dǎo)率和厚度的模型，對(duì)有效指導(dǎo)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(lái)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)巨大，但是本文所介紹的不同的設(shè)計(jì)策略將有望開發(fā)新型材料以滿足電磁屏蔽/吸收應(yīng)用開辟出可行的道路。

參考文獻(xiàn)：

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).