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得益于其优异的电磁性质，二维材料在微波吸收（MA）和电磁干扰（EMI）屏蔽方面具有独特的应用优势。近年来，二维材料（如石墨烯、MXene和过渡金属二硫化物等）在电磁干扰（EMI）屏蔽和吸收领域正变得越来越重要。 近日，太原理工大学杜建平教授领导的研究团队在Advanced Materials上以Design and Synthesis Strategies: 2D Materials for Electromagnetic Shielding/Absorbing为题发表综述文章，系统概述了二维材料的制备方法及其在电磁干扰屏蔽/吸收领域的应用，介绍了电磁干扰屏蔽/吸收的基础知识，综述了二维纳米结构及其衍生材料合成路线的最新进展，为电磁防护材料的精确设计和制备提供了参考和指导。
图1. 用于EMI屏蔽/吸收的二维材料示意图。 图源：Advanced Materials 17, e202101075 (2022). 近年来，随着电子信息技术的飞速发展，大功率、高速度的电子元器件和设备得到了广泛的应用。为了满足实际需求，电子元器件和设备需要高度集成化和小型化，这不可避免地会引起电磁辐射干扰，损害人体健康。由于电子元件对电磁场的高灵敏度，任何微小干扰都可能导致设备在高度集成的电子装置中发生故障。如果没有任何电磁干扰（EMI）屏蔽的电子设备暴露在附近设备产生的电磁场中，电子设备将很容易发生故障。 对于这个问题，EMI的净化对于电子系统的性能至关重要。此外，手机、天线和安全设备产生的电磁污染对人体健康也有负面影响。特别是，长期暴露于EM污染会导致严重的疾病，如脑瘤和白血病。因此，在军用和民用电磁干扰管理中，迫切需要开发性能良好的屏蔽和吸收材料，用于电子元件的电磁防护或电磁兼容性管理。 目前，金属、合金、铁氧体和炭黑仍然是传统的电磁屏蔽/吸收材料。例如，铝、镍及其合金通常用作设备屏蔽外壳的材料。羰基铁广泛用作填充在硅橡胶和环氧树脂等聚合物中的微波吸收剂。铁氧体具有很强的电磁波吸收性能。 然而，金属基材料具有密度高、机械应力大、耐腐蚀性差、热稳定性差、吸收带宽窄等缺点，限制了其在电磁干扰屏蔽领域的应用。此外，炭黑也是一种廉价的吸收剂，填充在聚合物中。为满足宽带吸收要求，需要高填充负载，但容易导致加工性能恶化和工作寿命短。因此，传统的电磁屏蔽/吸收材料仍然难以满足复杂电子设备的电磁防护要求，迫切需要开发性能优异的新型材料。 为了满足低厚度、轻量化、强衰减和宽带宽的要求，目前学术界和产业界的研究重点是碳材料、过渡金属化合物、导电聚合物和超材料。其中二维材料由于其层状结构、能带结构、电子特性和受控平面结构，在电磁干扰屏蔽和吸收方面显示出独特的优势。 并且，可通过构建异质结、控制微结构、调节EM参数，将二维自组装成三维材料和二维/二维复合材料（如MXene/GO），进一步增强二维材料的性能，从而增强EM保护性能，如频率优化、灵活性、，重量轻，耐高温等等。基于上述二维材料的结构特征，二维和二维衍生的层次结构在电磁领域将具有巨大的应用潜力。 本综述回顾了二维材料的制备策略及其在电磁干扰屏蔽/吸收领域中的应用。文章首先概述了电磁干扰屏蔽/吸收的基本知识。接着，文章总结了二维纳米结构合成路线的最新进展，包括石墨烯、MXene和过渡金属二卤化物及其各种衍生材料，然后介绍了其在EMI屏蔽/吸收中的应用（图 1）。 最后，文章阐述了新型电磁干扰材料的应用前景和发展面临的挑战。
图2. PPS/PASS/GNPs复合材料的制备、SEM图像和电磁屏蔽性能。 图源：Advanced Materials 17, e202101075 (2022). EMI屏蔽/吸收的基础知识 材料的屏蔽和吸收性能主要取决于阻抗匹配和损耗容量。对于以反射为主的电磁干扰屏蔽材料，低阻抗匹配度导致强反射和高屏蔽效能。对于以吸收为主的EMI屏蔽，需要合适的阻抗匹配和协同损耗路径。因此，有必要通过化学成分控制和微观结构设计，对阻抗匹配和损耗容量进行定向调整。 二维材料由于其独特的晶体结构和电子状态，对电磁波有特殊的响应。具有零带隙的单层石墨烯和MXene（Ti3C2Tx）表现为源自丰富载流子的类金属导电性，这有利于导电损耗和反射主导的EMI屏蔽。 二维材料表面的缺陷和端基容易导致电子密度的不均匀性，在外场作用下形成偶极子，从而导致极化损耗。二维材料的平面结构适合于构造具有异质元件的新界面，以改善阻抗匹配。MXene和过渡金属硫化物等二维材料的多种构型有利于调整其电特性，提高电磁屏蔽/吸收性能。
图3. 聚乳酸/石墨烯纳米复合材料的制备、SEM图像和电磁屏蔽性能。 图源：Advanced Materials 17, e202101075 (2022). 石墨烯 石墨烯因其优异的导电性、高比表面积、耐腐蚀性、高热稳定性和化学稳定性而被认为是一种潜在的微波屏蔽和吸收材料。尤其是由于层数少而产生的高导电性和高载流子迁移率，赋予了其优异的电磁波反射能力，其透光性在透明电磁屏蔽中具有应用前景。而拉伸的二维结构和高比表面积有利于电磁吸收。 为了进一步提高微波衰减能力，研究人员经常用纳米材料修饰石墨烯并构建新型纳米结构，以丰富各种电磁波衰减机制，增强电磁波在吸收介质中的传播路径。值得注意的是，石墨烯基复合材料的介电常数和磁导率可以通过上述方法进行调整，以接近理想值，促进阻抗匹配并产生理想吸收。 MXene MXenes是一类由过渡金属碳化物或氮化物组成二维材料，一般由Mn+1XnTx的方程表示，其中M表示过渡金属元素（如Ti、V、Cr和Mo），X表示C元素或N元素，Tx表示表面官能团。MXene具有类似于金属的优良导电性。例如，具有三维蜂窝结构的MXene（Ti3C2Tx）膜由于其连续导电多孔结构表现出优异的绝对电磁干扰屏蔽效能。通过基于规则的单元格结构构建高导电网络结构，可以使得MXene的定向分布和入射电磁波的强烈反射。同时，这种具有连续表面的单元格结构可以通过多次内反射和散射有效地捕获入射电磁波，从而阻碍电磁波通过材料的穿透。然而，MXene面向实用仍有一些问题需要解决。例如，MXene本身容易氧化和不稳定，由于其固有的弱凝胶能力，很难构建三维结构，并且其高导电性也是电磁波吸收的主要障碍。基于上述问题，MXene的性能应通过改性或组合的方法来提高。 过渡金属硫族化合物
图4. MoS2/CS纳米复合材料的SEM图像和反射损耗。 图源：Advanced Materials 17, e202101075 (2022). 如MoS2和WS2等的过渡金属二硫化物（TMD）具有与石墨烯相似的结构。原子通过共价键连接，Mo层通过两个S原子层之间的范德瓦尔斯力连接在一起。过渡金属二硫化物具有增强平面电输运性能的优势。过渡金属二硫化物固有的优异介电性能、独特的结构和可设计的微观形貌使其成为一种很有前途的电磁干扰屏蔽和吸收材料。 尽管过渡金属二硫化物具有高比表面积、界面极化和介电损耗的优点，但由于其高电阻、团聚和高介电损耗，其性能仍然受到低阻抗匹配的限制。因此，通常通过构造新的界面、设计极化位置和引入缺陷，进一步增强电磁波的充分衰减来改善电磁参数。 总结与展望 二维材料，如石墨烯、MXene和过渡金属二氯化镁，是MA和EMI屏蔽领域的优秀候选材料。本文综述了二维材料基复合材料的制备方法、机理和性能的研究进展。文章指出，基于二维材料的可控结构和柔性改性，它们被证明在EMI屏蔽/吸收方面具有潜在的应用。文章认为，电磁防护材料的高屏蔽效率和低反射损耗可以通过调节和修改二维材料，间接调节介电常数、磁导率和电导率等关键参数来实现。 文章指出，通过构造微结构和在二维结构材料中引入非均匀材料，可以获得合适的电磁参数和合适的阻抗匹配。引入杂原子或非均相组分可以丰富损耗机制，提高电磁波的有效吸收，构建隔离结构、“砖混”结构、核壳结构、蜂窝结构和多孔结构可以实现对电磁波的多样化响应。隔离结构和“砖混砂浆”结构有利于屏蔽材料，而吸波材料需要核壳结构和多孔结构。为了获得优异的性能和满足商业需求，发展二维材料的制备技术具有重要意义。 未来，二维材料的研究仍应该集中在多组分的调控和新型结构的构建上，以满足电磁屏蔽/吸收材料的苛刻要求。此外，利用CST、高频结构模拟器（HFSS）和COMSOL Multiphysics等仿真平台，建立理想电导率、介电常数、磁导率和厚度的模型，对有效指导电磁屏蔽/吸收材料的制备也具有非常重要意义。文章相信，尽管未来发展面临的挑战巨大，但是本文所介绍的不同的设计策略将有望开发新型材料以满足电磁屏蔽/吸收应用开辟出可行的道路。 参考文献： 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). 上海昂维科技有限公司现提供二维材料单晶和薄膜等耗材，器件和光刻掩膜版定制等微纳加工服务，以及各种测试分析，欢迎各位老师和同学咨询，竭诚做好每一份服务。
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