《先进材料》：厉害！单层MXene自组装材料实现优异电磁屏蔽性能

来源：高分子科学前沿

一、研究背景：

随着科技飞速发展，电子产品不断更新升级，给人们生活带来了更多便捷，如今小型化成为了电子器件最重要的发展趋势之一，电子元器件的设计尺寸已缩小至纳米级别。笔记本电脑、GPS和移动电话等电子产品都会因电磁波干扰产生杂讯，影响通讯品质，电子设备发射的电磁波不但影响自身设备和其他设备的正常运行，还可能对人体和自然环境产生不利影响，因此防电磁干扰已是必备而且势在必行的制程，电子器件的小型化对纳米尺度的电磁屏蔽提出了要求。MXene材料是一类具有二维层状结构的金属碳化物和金属氮化物材料，其外形类似于片片相叠的薯片。第一个MXene成员在2011年首次被美国德雷塞尔（Drexel）大学Yury Gogotsi教授课题组合成出来。目前该类材料已在多个材料研究领域（如能源、光学、催化等）引发了全世界的关注。

二、研究成果

近日，美国德雷塞尔大学 Yury Gogotsi、韩国科学技术院的Sang Ouk Kim和Chong Min Koo合作（共同通讯作者）报道了一种通过二维Ti3C2Tx层层自组装得到的电磁屏蔽MXene薄膜，单层薄膜实现20%的电磁波有效屏蔽，24层（厚约55 nm）薄膜呈现99%的电磁屏蔽性能（20 dB），绝对屏蔽性能值达到3.89 ×106 dB cm2g−1，并结合理论模型解释电磁屏蔽机理，研究表明，该材料多重反射损耗占主导作用，表面反射与吸收同样发挥了作用，这种纳米厚度的溶液可加工型MXene材料为轻质、便携、微型的下一代电子设备电磁屏蔽性能研究提供了借鉴。相关工作以“Electromagnetic Shielding of Monolayer MXene Assemblies”为题发表在国际著名期刊 《Advanced Materials》上。

三、图文速递

图1 界面自组装MXene薄膜 (A) Ti3AlC2 和 Ti3C2Tx的XRD图; (B、C) Ti3C2Tx 的SEM及TEM图; (D、E) 单层MXene薄膜AFM、TEM图; (F、G) 单层MXene薄膜及5层MXene薄膜的断面TEM图; (H、I、J) 光学照片; (K) 不同层数MXene薄膜的紫外可见投射光谱; (L) 薄层电阻及吸光度测试

图2 MXene薄膜热处理效应 (A)不同温度退火下3层MXene薄膜XRD图; (B) 薄层电阻及d-spacing; (C、D) MXene薄膜XPS图; (E) 3层MXene薄膜电荷载流子迁移率及密度; (F) 接触角测试

图3 不同层数MXene 薄膜电磁屏蔽性能测试 (A、B) 退火前及400 ℃退火后X波段下电磁屏蔽ST值；(C) 8.2 GHz下电磁屏蔽性能ST值；(D) SET, SER及 SEA实验值；(E) ST值实验值及模拟值对比；(F)不同屏蔽材料电磁屏蔽性能SE值对比；(G) 不同屏蔽材料在20 nm厚度时ST值对比; (H) 不同屏蔽材料绝对屏蔽性能值SSE/t

四、研究小结

总而言之，这篇文章报道了一种具有优异电磁屏蔽性能的Ti3C2Tx MXene自组装薄膜，并有望用于下一代轻便、柔性、微型电子器件中，这种纳米厚度的薄膜可能会替代当前较重的金属箔及毫米厚度的碳复合材料。目前微米级厚度Ti3C2Tx材料的电导率已经超过10000 S cm−1，并且超过30种MXene材料可以使用，高性能超薄二维MXene电磁屏蔽薄膜有望通过溶液处理工艺大规模制备。

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文章链接

https://doi. org/10.1002/adma.201906769