多尺度設計具有超高屏蔽效能的多功能透明導電材料!

透明電磁屏蔽薄膜在通訊設備、醫療器械、儀器儀表、航天航空等多個領域具有很大的應用需求,吸引瞭廣泛的關註。然而,在目前的透明屏蔽材料中,高透光率和高屏蔽效能難以兼得。因此研究在具有高電磁屏蔽效能情況下保持高透光率的方法具有重要的意義。

銀納米線 (AgNW)是一種新型的一維導電材料,其兼具銀的超高電導率和納米材料的尺度效應,因而常作為復合材料中的導電骨架。AgNW組成的網絡結構薄膜具有一定的導電性能同時還允許可見光的透過,因此AgNW薄膜可用於透明導電薄膜,然而AgNW間搭接處具有很大的接觸電阻,這導致AgNW薄膜的導電性能較差,影響其在電磁屏蔽領域的應用。

MXene是一種新型二維過渡金屬碳化物和碳氮化物,具有金屬一樣的高電導率和豐富的官能團,非常適合用於傳感和電磁屏蔽等應用。然而,由於MXene對可見光具有很強的吸收作用,使得單純的MXene薄膜在具有一定屏蔽性能下透光性能較差。

為瞭調和透光率和屏蔽性能之間的矛盾,北京化工大學的於中振教授和張好斌教授等近日報道瞭一種基於多尺度設計的Ti3C2Tx MXene/AgNW透明導電薄膜,具有高透光率、高電磁屏蔽和聲音傳感功能。該研究成果以“Flexible, Transparent, and Conductive Ti3C2Tx MXene-Silver Nanowire Films with Smart Acoustic Sensitivity for High-Performance Electromagnetic Interference Shielding” 為題發表在《ACS NANO》上(見文後原文鏈接)。文章第一作者是北京化工大學博士生陳偉。

​北京化工大學於中振團隊《ACS NANO》:多尺度設計具有超高屏蔽效能的多功能透明導電材料!

【圖文解析】

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圖1.Ti3C2Tx MXene/AgNW透明導電薄膜的主要制備過程及表征。

 

解析:作者首先構建MXene包覆的銀納米線的導電網絡。受到接觸電阻的影響,未經處理的銀納米線透明導電薄膜的導電性能並不理想,因此難以作為有效的電磁屏蔽薄膜。利用水蒸發過程中的毛細作用力可以將相鄰的銀納米線更加緊密地貼合,從而有利於形成更加完善的導電網絡。進一步在水中引入二維導電納米片MXene,可以產生更加強的毛細管作用。而這種毛細管作用使得MXene和銀納米線以及相鄰的銀納米線更加緊密地貼合。作者統計瞭加入MXenen 前後相鄰銀納米線節點的垂直厚度,發現在有MXene的情況下,銀納米線節點的垂直厚度明顯降低。因此MXene包覆的銀納米線薄膜具有明顯更高的電導率和較好的電磁屏蔽性能。

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圖2. 雙層狀結構的屏蔽特性

 

解析:單純地使用MXene的包覆來提升銀納米線薄膜屏蔽效能,在薄膜較薄的情況下,其效果比較明顯。但是隨著厚度的提升,MXene包覆的提升效應減落。因而仍然難以得到高屏蔽值和高透明度兼顧的材料。作者利用層狀結構巧妙地解決瞭這個矛盾。層狀結構保證單層薄膜具有較薄的厚度,保留瞭MXene包覆所帶的屏蔽效能提升,還引入瞭額外的電磁波多重反射,使得電磁波產生額外的損耗。因此在同樣的銀納米線密度下,雙層結構的薄膜比單層結構具有更高的屏蔽性能。而且該層狀結構薄膜的屏蔽性能與空氣層厚度有明顯的依存關系,屏蔽性能隨著空氣層厚度的增大而增大,當厚度為9毫米時,該材料可以在83%的透光率下實現49 dB的屏蔽效能。值得註意的是的是這種層狀結構不會影響可見光的透過。作者在文中詳細解釋層狀結構對電磁屏蔽影響的原因。

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圖3. 多層結構的屏蔽特性。

 

解析:層狀結構薄膜的屏蔽效能不隻受到空氣層厚度的影響,還受到其中銀納米線密度的影響。在低銀納米線的填充量下,雙層結構的屏蔽性能並不理想。作者結合不同填充量下薄膜對電磁波的吸收和反射特性,揭示瞭層狀結構中銀納米線填充量存在最佳值。並且利用該最佳的銀納米線填充密度,作者構造瞭多層結構。電磁屏蔽效能隨著隨著層數的增大而線性增大,在59%的透光率下,四重結構的屏蔽性能可以達到96 dB,遠高於同類文獻的報道。

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圖4. 語音識別能力的MXene/AgNW基傳感器。

 

解析:作者利用層狀薄膜表面的MXene和PET基底組裝瞭一種基於納米摩擦電的聲音傳感器。該傳感器兼具透明和高電磁屏蔽的特性。對於不同頻率和聲響的聲音,MXene/銀納米線基傳感器可以輸出相應大小和頻率的電信號。MXene表面的基團以及PET的特殊性質使所制備的傳感器表現出卓越的傳感性能,即高的信號輸出1000 mV(SPL 100 dB)和低聲響檢測限度40dB。為瞭探索這些收集到的電流信號的實際應用,作者開發瞭一個將透明的MXene/銀納米線基傳感器與完整的信號處理和指令輸出系統集成在一起的傳感平臺。這個平臺演示瞭其在語音識別領域的巨大潛力。

【總結】

作者首次應用毛細管作用組裝MXene與銀納米線制備瞭一種高透明的導電薄膜。同時精心設計的多層結構和優化的負載密度,MXene/銀納米線多重膜兼具高電磁屏蔽性能和高透光率的特性,為高性能電磁屏蔽材料的開發提供瞭一種新的途徑。MXene/銀納米線多重膜還可以精確的監測環境的聲音並將其轉化為電信號。 該材料可用於未來的智能屏蔽窗戶、機器人和智能可穿戴設備的構建。

全文鏈接:

https://dx.doi.org/10.1021/acsnano.0c01635

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